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）通過如下工藝流程法制得。

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+
開始沉淀的pH	1.9	3.3	6.2
沉淀完全的pH	3.2	5.2	8.0

請回答下列問題：

⑴燒結時ZrSiO4發生反應的化學方程式為_______________________；

濾渣I的化學式為______________________________。

⑵調節pH=a 的目的是________________________________________；用氨水調節pH=b后發生反應的離子方程式為______________________________________________。

⑶以濾渣II為主要原料制取鐵紅，請簡述實驗方法________________________。

⑷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：

________________________________________________________。

⑸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，另一極通入甲烷，寫出負極的電極反應式為___________________________。

Answer 1

【答案】 ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2CO2 ↑ H2SiO3 （或H4SiO4） 完全沉淀Fe3+、Al3+，而ZrO2+不沉淀 ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+ 在濾渣II中加足量NaOH溶液充分反應，過濾、洗凈、干燥、加熱分解 3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3 CH4－8e－+ 4O2－＝CO2 +2H2O

【解析】ZrSiO4也可表示為ZrO2·SiO2，高溫與純堿共熔生成可溶于水的Na2ZrO3，還會生成Na2SiO3和CO2；酸浸時Zr、Fe、Al的化合物均溶解，Si的化合物轉化為H2SiO3（或H4SiO4）沉淀，過濾所得濾渣Ⅰ是H2SiO3（或H4SiO4），濾液中含有Na+、Fe+、Al+、ZrO2+等陽離子；加氨水調節pH至5.2~6.2，濾渣Ⅱ為Fe(OH)3、Al(OH)3；將濾液再次調節pH至8.0得到Zr(OH)4沉淀，最后得到純度較高的ZrO2。

（1）根據上述分析燒結時ZrSiO4發生反應的化學方程式為：ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2CO2 ↑；濾渣I的化學式為：H2SiO3（或H4SiO4）。

（2）流程中共有2次調節pH，則第一次調節pH是為了除去Fe3+、Al3+，而不能使ZrO2+沉淀；第二次調節pH使ZrO2+變為Zr(OH)4沉淀，離子方程式為：ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+。

（3）濾渣Ⅱ為Fe(OH)3、Al(OH)3，要制取鐵紅需先除去Al(OH)3，再分解Fe(OH)3，故實驗方法為：在濾渣Ⅱ中加足量NaOH溶液充分反應，過濾、洗凈、干燥、加熱分解。

（4）以ZrO2通過鋁熱法制取鋯，利用高溫下Al還原ZrO2，化學方程式為：3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3。

（5）新型甲烷燃料電池傳導O2-，故正極反應為：O2+4e-=2O2-，又因為總反應為：CH4+2O2＝CO2 +2H2O，所以負極反應為：CH4-8e-+ 4O2-＝CO2+2H2O。