Question

【題目】二氧化鋯(ZrO2)是最重要的氧離子固體電解質，用于制造燃料電池、氧氣含量測定儀等。可由鋯英砂（主要成分為ZrSiO4，也可表示為ZrO2·SiO2；含有少量Fe2O3、Al2O3、SiO2雜質）通過如工藝流程法制得。

已知：①ZrO2具有兩性，高溫與純堿共熔生成可溶于水的Na2ZrO3，與酸反應生成ZrO2+。

②部分金屬離子在實驗條件下開始沉淀和完全沉淀的pH如下表。

金屬離子	Fe3+	Al3+	ZrO2+
開始沉淀時pH	1.9	3.3	6.2
沉淀完全時pH	3.2	5.2	8.0

請回答下列問題：

（1）已知Zr元素的原子序數是40，請寫出它在周期表中的位置：____________________________。

（2）燒結時ZrSiO4發生反應的化學方程式為__________________________；濾渣1的化學式為__________。

（3）調節pH=a時，a的范圍應該是__________________；用氨水調節pH=b時，所發生反應的離子方程式為_______________________________________。

（4）本題的流程中，一共有三步過濾操作，北中最后一步過濾所得的Zr(OH)4沉淀需要洗滌，證明該沉淀已經洗滌干凈的最佳操作方法是：______________________________________。

（5）工業上用鋁熱法冶煉鋯，寫出以ZrO2通過鋁熱法制取鋯的化學方程式：________________。

（6）一種新型燃料電池用摻雜Y2O3的ZrO2晶體作電解質在熔融狀態下傳導O2-，一極通入空氣，另一極通入乙烷，寫出負極的電極反應式：________________________________。

Answer 1

【答案】 第五周期，ⅣB族 ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2CO2↑ H2SiO3(或H4SiO4) 5.2≤pH<6.2 ZrO2+ +2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+ 取最后一次洗滌液，(用鹽酸酸化)加入BaCl2溶液，沒有白色沉淀生成，證明沉淀已經洗干凈 3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3 2C2H6－28e－+ 14O2－＝4CO2 +6H2O

【解析】已知Zr元素的原子核外電子排布由里往外依次為2、 8 、18、 10、 2，在周期表中的位置為第五周期，ⅣB族；正確答案：五周期，ⅣB族。

（2）ZrSiO4 與Na2CO3固體在高溫下發生反應，生成Na2ZrO3 、Na2SiO3和CO2氣體；正確答案：ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3+2CO2↑。硅酸鈉溶液與過量的稀硫酸反應，生成硅酸或原硅酸沉淀，所以濾渣1為 H2SiO3(或H4SiO4)；正確答案：H2SiO3(或H4SiO4)。

（3）用氨水調節溶液的pH，目的是使Fe3+ 、 Al3+沉淀完全，以此達到除去兩種離子的目的，根據圖表信息可知：5.2≤pH<6.2； 根據流程可知用氨水調節pH=b時，溶液中的ZrO2+與氨水反應生成Zr(OH)4沉淀，；離子方程式為ZrO2+ +2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+ ；正確答案：5.2≤pH<6.2 ； ZrO2+ +2NH3·H2O+H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+ 。

（4）ZrOSO4溶液與NH3·H2O反應生成Zr(OH)4和硫酸銨溶液，所以Zr(OH)4沉淀上可能附有硫酸銨，因此檢驗硫酸根離子是否存在就可以達到實驗目的；正確答案：取最后一次洗滌液，(用鹽酸酸化)加入BaCl2溶液，沒有白色沉淀生成，證明沉淀已經洗干凈。

（5）高溫下，金屬鋁與氧化鋯反應置生成鋯和氧化鋁；正確答案：3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3。

（6）乙烷燃料電池，乙烷在負極發生氧化反應，乙烷被氧化為CO2；正確答案：2C2H6－28e－+ 14O2－＝4CO2 +6H2O。