Question

【題目】ZrO2是重要的耐高溫材料，可用作陶瓷遮光劑。天然鋯英石的主要成分為ZrSiO4，另外還含有鐵、鋁、銅等金屬元素的氧化物雜質(zhì)，工業(yè)上以天然鋯英石為原料制備ZrO2的工藝流程如下圖所示：

已知：Fe（SCN）3難溶于MIBK; Zr（SCN）4在水中的溶解度不大，易溶于MIBK。

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）ZrSiO4鋯元素的化合價(jià)為____________。

（2）“氯化”主反應(yīng)為ZrSiO4（s）＋2C（s）＋4Cl2（g）ZrCl4（g）＋SiCl4（g）＋2CO2（g）　ΔH<0，相同時(shí)間內(nèi)ZrCl4的產(chǎn)率隨溫度變化如圖所示，由圖可知“氯化”的最佳溫度是________________。“氯化”過(guò)程中ZrCl4的產(chǎn)率隨溫度升高先增大后減小的原因是_________。

（3）寫出Al2O3高溫“氯化”過(guò)程中轉(zhuǎn)化為AlCl3的化學(xué)方程式： ____________。

（4）本流程使用NaCN除銅，若鹽酸“溶解”后溶液中的c（Cu2＋）＝0.01 mol·L－1，當(dāng)溶液中Cu2＋開始沉淀時(shí)，c（CN－）＝______________。{已知Ksp[Cu（CN）2]＝4.00×10－10}

（5）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“萃取”和“反萃取”的玻璃儀器是________。流程中“萃取”與“反萃取”的目的是_______。

Answer 1

【答案】＋4 360 ℃ 360 ℃以前反應(yīng)未達(dá)到平衡，升溫過(guò)程中反應(yīng)繼續(xù)向正向進(jìn)行，產(chǎn)率不斷增大；360 ℃以后反應(yīng)達(dá)到平衡，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫過(guò)程中平衡逆向移動(dòng)，ZrCl4產(chǎn)率又減小 2Al2O3＋3C＋6Cl24AlCl3＋3CO2 2×10－4 mol/L 分液漏斗、燒杯 除去鐵元素雜質(zhì)

【解析】

根據(jù)流程：天然鋯英石（ZrSiO4）含有鐵、鋁、銅等金屬元素的氧化物雜質(zhì)與焦炭、氯氣高溫氯化，主要的反應(yīng)為ZrSiO4+2C+4Cl2ZrCl4+SiCl4+2CO2，2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2，同理鐵、銅的氧化物，將得到ZrCl4、SiCl4、AlCl3、FeCl3、CuCl2用NaOH溶液堿浸，SiCl4、AlCl3溶解為硅酸鈉、偏鋁酸鈉，ZrCl4、FeCl3、CuCl2反應(yīng)為Zr（OH）4、Fe（OH）3、Cu（OH）2沉淀，即為濾渣1，用鹽酸將濾渣1溶解，得到ZrCl4、FeCl3、CuCl2，使用NaCN除銅，濾渣2為Cu（CN）2，向?yàn)V液加入NH4SCN與ZrCl4、FeCl3發(fā)生配合反應(yīng)得到Fe（SCN）3、Zr（SCN）4，加入 有機(jī)溶劑MIBK萃取，Fe（SCN）3難溶于MIBK，分液，Zr（SCN）4在有機(jī)層，將含有Zr（SCN）4的有機(jī)層用硫酸反萃取將Zr（SCN）4與MIBK分離，經(jīng)過(guò)一系列操作得到ZrO2，據(jù)此分析作答。

（1）由于在化合物中元素正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和等于0，O為－2價(jià)，Si為＋4價(jià)，可得鋯英石（ZrSiO4）中Zr元素的化合價(jià)為＋4價(jià)。

（2）根據(jù)圖象可知ZrCl4的產(chǎn)率在溫度為360 ℃時(shí)最高，說(shuō)明“氯化”的最佳溫度是360 ℃；根據(jù)圖象可知，在360 ℃以前，隨著溫度的升高，ZrCl4的產(chǎn)率逐漸增大，是由于溫度升高，反應(yīng)物分子的能量增加，有效碰撞次數(shù)增加，反應(yīng)速率加快，更多的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)變?yōu)樯�成物，所�?/span>ZrCl4的產(chǎn)率逐漸增大，到360℃達(dá)到最大值，此時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使ZrCl4的產(chǎn)率逐漸降低，因此溫度升高，ZrCl4的產(chǎn)率又逐漸降低。

（3）Al2O3、焦炭在高溫下與氯氣反應(yīng)產(chǎn)生AlCl3、CO2，根據(jù)電子守恒、原子守恒可得該反應(yīng)方程式為2Al2O3＋3C＋6Cl24AlCl3＋3CO2；

（4）由于Ksp[Cu（CN）2]＝c（Cu2＋）·c2（CN－）＝4.00×10－10，c（Cu2＋）＝0.01 mol/L，當(dāng)溶液中Cu2＋開始沉淀時(shí)，c（CN－）＝＝2.00×10－4 mol/L。

（5）由于萃取是分離互不相溶的液體混合物的方法，所以萃取和反萃取使用的儀器有分液漏斗和燒杯；在處理過(guò)程中Cu2＋與沉淀試劑形成Cu（CN）2沉淀過(guò)濾除去，Fe3＋與加入的NH4SCN形成絡(luò)合物Fe（SCN）3，Zr4＋形成Zr（SCN）4，由于Fe（SCN）3難溶于MIBK，而Zr（SCN）4在水中溶解度不大，易溶于MIBK，向Fe（SCN）3、Zr（SCN）4的混合溶液中加入MIBK充分振蕩后，分液，可將Fe（SCN）3分離除去，然后向MIBK的溶液中加入硫酸進(jìn)行反萃取，Zr（SCN）4進(jìn)入硫酸溶液中，然后經(jīng)過(guò)一系列處理，就可得到ZrO2。所以進(jìn)行萃取和反萃取目的是除去鐵元素雜質(zhì)。