Question

【題目】Ⅰ．ZrO2常用作陶瓷材料，可由鋯英砂(主要成分為ZrSiO4，也可表示為ZrO2·SiO2，還含少量Fe2O3、Al2O3、SiO2等雜質)通過如下方法制取：

已知：①ZrO2能與燒堿反應生成可溶于水的Na2ZrO3，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

（1）熔融時ZrSiO4發生反應的化學方程式為___________________________________________，濾渣I的化學式為___________________

（2）為使濾液I的雜質離子沉淀完全，需用氨水調pH=a，則a的范圍是____________________；繼續加氨水至pH=b時，所發生反應的離子方程式為__________________________________________

（3）向過濾III所得濾液中加入CaCO3粉末并加熱，得到兩種氣體。該反應的離子方程式為：________________________________________

（4）為得到純凈的ZrO2，Zr(OH)4需要洗滌，檢驗Zr(OH)4是否洗滌干凈的方法是：____________________________

Ⅱ．氮化硅（Si3N4）是一種新型陶瓷材料，它可用石英與焦炭在高溫的氮氣流中反應制得：___SiO2 + C + N2 Si3N4 + CO

根據題意完成下列各題：

（1）配平上述化學反應方程式。__________

（2）為了保證石英和焦炭盡可能的轉化，氮氣要適當過量。某次反應用了30 mol氮氣，反應生成了5 mol一氧化碳，則此時混合氣體的平均摩爾質量是______________。

（3）氮化硅陶瓷的機械強度高，硬度接近于剛玉（A12O3），熱穩定性好，化學性質穩定。以下用途正確的是__________（填序號）

A．可以在冶金工業上制成坩堝、鋁電解槽襯里等設備

B．在電子工業上制成耐高溫的電的良導體

C．研發氮化硅的全陶發動機替代同類型金屬發動機

D．氮化硅陶瓷的開發受到資源的限制，沒有發展前途

Answer 1

【答案】ZrSiO4 + 4NaOHNa2SiO3 + Na2ZrO3 + 2H2O H2SiO3(或H4SiO4) 5.2~6.2 ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O=== Zr(OH)4↓+ 2NH4+ 2NH4+ + CaCO3Ca2+ + 2NH3↑+ CO2↑+ H2O 取最后一次洗滌液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸銀溶液，若無沉淀生成，則Zr(OH)4洗滌干凈 3 6 2 1 6 28 g/mol AC

【解析】

鋯英砂（主要成分為ZrSiO4，也可表示為ZrO2SiO2，還含少量Fe2O3、Al2O3、SiO2等雜質）加NaOH熔融，ZrSiO4轉化為Na2SiO3和Na2ZrO3，加過量鹽酸酸浸，Na2SiO3與HCl生成硅酸沉淀，濾液中含有ZrO2+、Fe3+、Al3+，加氨水調節pH為5.2～6.2，使Fe3+、Al3+轉化為氫氧化物沉淀，過濾，濾液中主要含有ZrO2+，再加氨水調節pH使ZrO2+轉化為Zr（OH）4沉淀，過濾、洗滌，得到Zr（OH）4，加熱分解，即可得到ZrO2；

Ⅰ．（1）高溫下，ZrSiO4與NaOH反應生成Na2SiO3和Na2ZrO3，其反應的方程式為：ZrSiO4+4NaOHNa2SiO3+Na2ZrO3+2H2O；加過量鹽酸酸浸，Na2SiO3與HCl生成硅酸沉淀，過濾，濾渣為H2SiO3，答案為：ZrSiO4+4NaOHNa2SiO3+Na2ZrO3+2H2O；H2SiO3(或H4SiO4)；

（2）需用氨水調pH=a，使Fe3+、Al3+轉化為氫氧化物沉淀，而ZrO2+不能沉淀，根據表中數據可知：pH在5.2～6.2時Fe3+、Al3+完全沉淀，而ZrO2+不沉淀；加氨水至pH=b時，ZrO2+與NH3H2O反應生成Zr（OH）4沉淀，其反應的離子方程式為：ZrO2++2NH3H2O+H2O=Zr（OH）4↓+2NH4+；故答案為：5.2～6.2；ZrO2++2NH3H2O+H2O=Zr（OH）4↓+2NH4+；

（3）過濾Ⅲ所得濾液中主要含有銨根離子，溶液顯酸性，加入CaCO3粉末并加熱得到氨氣和二氧化碳，其反應的離子方程式為：2NH4++CaCO3=Ca2++2NH3↑+CO2↑+H2O；答案為：2NH4++CaCO3=Ca2++2NH3↑+CO2↑+H2O；

（4）沉淀上附著的雜質為氯離子，用稀硝酸和硝酸銀來檢驗洗液中是否含有氯離子即可，其操作為：取最后一次洗滌液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸銀溶液，若無沉淀生成，則Zr（OH）4洗滌干凈；答案為：取最后一次洗滌液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸銀溶液，若無沉淀生成，則Zr（OH）4洗滌干凈；

Ⅱ．（1）根據方程式可知，碳元素的化合價從0價升高到＋2價，而氮元素的化合價從0價降低到－3價，所以根據電子的得失守恒可知，配平后的化學計量數依次是3；6；2；1；6；

（2）氮氣是過量的，所以混合氣是氮氣和CO的混合氣。但由于二者的相對分子質量都是28，所以混合氣的平均摩爾質量是28g/mol；

（3）氮化硅不是電的良導體，選項B不正確；氮化硅的發展有廣闊的發展前景，選項D不正確，選項AC是正確的，答案為AC；