Question

鋯產業是極有發展潛力及前景的新興產業，鋯（Zr）元素是核反應堆燃料棒的包裹材料，二氧化鋯（ZrO₂）可以制造耐高溫納米陶瓷。我國有豐富的鋯英石（ZrSiO₄），含Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質，生產鋯流程之一如下：   

試回答下列問題：
（1）寫出上述流程中高溫氣化的反應方程式（碳轉化成CO）：                    ；
（2）寫出ZrOCl₂?8H₂O在900℃生成ZrO₂的反應方程式                       ；
（3）關于二氧化鋯納米陶瓷和鋯合金的說法不正確的是         （單選）；

A．二氧化鋯納米陶瓷是新型無機非金屬材料

B．1納米=10－10米

C．鋯合金的硬度比純鋯要高

D．日本福島核電站的爆炸可能是由鋯合金在高溫下與水蒸氣反應產生的氫氣爆炸引起

（4）一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷；電解質是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態下能傳導O^2－。在熔融電解質中，O^2－向     (填正負)極移動。電池正極電極反應為：                  ，負極電極反應為：                    。

Answer 1

（16分）
（1）4C+4Cl₂+ZrSiO₄ZrCl₄+SiCl₄+4CO（3分）
（2）ZrOCl₂?8H₂O ZrO₂+2HCl↑+7H₂O↑（3分）
（3）B （2分）
（4）負（2分）        O₂ +4e^－= 2O^2－（3分） 
C₄H₁₀ —26e^－+13O^2－=4CO₂ +5H₂O（3分）

試題分析：（1）依題意，ZrSiO₄、Cl₂、C在高溫下發生氧化還原反應，生成SiCl₄、ZrCl₄和CO，氯元素由0降為—1價，碳元素由0升為+2價，根據化合價升降總數相等、原子個數守恒，則該反應為ZrSiO₄+4Cl₂+4CSiCl₄+ZrCl₄+4CO；（2）ZrOCl₂?8H₂O在900℃下發生分解反應，生成ZrO₂、HCl、H₂O，該反應不涉及氧化還原反應，設反應物的系數為1，根據原子個數守恒可得：ZrOCl₂?8H₂OZrO₂+2HCl↑+7H₂O↑；（3）陶瓷是傳統無機非金屬材料，二氧化鋯納米陶瓷是新型陶瓷，故A正確；納米級二氧化鋯是化合物或純凈物，它分散到空氣或水中形成的分散系或混合物屬于膠體，故B不正確；合金的硬度一般比其成分金屬大，熔點比其成分金屬低，故C正確；鋯和鐵都是過渡金屬，鐵在高溫下與水蒸氣發生置換反應，放出氫氣，混有空氣的氫氣遇熱可能爆炸，由此類比推斷鋯合金具有類似的性質，故D正確；（4）根據原電池原理，電子從負極出發經過外電路流向正極，則內電路中陰離子移向負極，陽離子移向正極，因此該熔融氧化物為電解質的新型電池中氧離子移向負極；依題意，正極的主要反應物是氧氣，氧元素化合價由0降為—2價，1個氧原子得到2個電子，1個氧氣分子得到4個電子，則正極反應式為O₂ +4e^－= 2O^2－；負極的主要反應物和產物分別是甲烷和二氧化碳氣體，即C₄H₁₀→4CO₂；碳元素化合價總數由—10升為+16價，則1個丁烷分子失去26個電子，則C₄H₁₀—26e^－→4CO₂；左邊帶26個正電，右邊不帶電，根據熔融狀態下能傳導氧離子，因此用13個氧離子使左右電荷守恒，則C₄H₁₀—26e^－+13O^2－→4CO₂；左邊比右邊多10個H、5個O，根據原子個數守恒配平可得負極反應式：C₄H₁₀—26e^－+13O^2－=4CO₂+5H₂O。