Question

锆石(ZrSiO₄)酷似钻石且价格低廉，是钻石很好的代用品。天然锆石的主要成分是ZrSiO₄，另外还常含有Fe、Al、Cu的氧化物杂质。工业上以天然锆石为原料制备ZrO₂的工艺流程如下：

已知：i．氯化过程中除C、O外，其他元素均转化为其最高价氯化物；

ⅱ．Zr在化合物中通常显+4价；ZrC1₄易溶于水，400　℃时升华；

ⅲ．“配合”生成的Fe(SCN)₃难溶于MIBK，Zr(SCN)₄在水中的溶解度小于在MIBK中的溶解度。

(1)将锆石“粉碎”的目的是_______________________________。

(2)“氯化”过程中，ZrSiO₄发生反应的化学方程式为_______________，由下图可知，“氯化”过程选择的最佳反应条件是_________ ；若“氯化”温度过高会导致ZrC1₄产率降低，原因是________。

(3)常用的铜抑制剂为NaCN，它可与重金属离子生成沉淀，如Cu(CN)₂，其K_sp＝4.0×10^－10。已知盐酸溶解后的溶液中Cu²⁺的浓度为1mol·L^－1，若溶液中Cu²⁺的浓度小于等于1.0×10^－6mol·L^－1时可视为沉淀完全，则Cu²⁺沉淀完全时溶液中CN^－的浓度为________mol•L^－1。

(4)由于NaCN有剧毒，所以需要对“废液”中的NaCN进行处理，通常选用漂白液(有效成分是NaClO)在碱性条件下将其氧化，其产物之一是空气中的主要成分，则上述反应的离子方程式为___________。

(5)流程中“萃取”与“反萃取”可以分离铁、富集锆，简述“萃取”的原理：________________。

Answer

增大反应物的接触面积，加快反应速率，提高原料利用率 ZrSiO4+2Cl2+4CO=ZrC14+SiCl4+4CO2 1MPa、380~400℃ 高于400℃时ZrCl4升华，产率降低 0.02 2CN-+5C1O-+2OH-=2+5Cl-+N2↑+H2O Fe(SCN)3难溶于MIBK，则Zr(SCN)4被MIBK萃取进入有机层

【解析】

天然锆石经过粉碎后，加入CO、Cl2，ZrSiO4反应为ZrC14和SiCl4，其它金属变为FeCl3、AlCl3、CuCl2。加入NaOH后，滤液中是NaAlO2，沉淀中主要有H2SiO3、Fe(OH)3、Zr(OH)4 、Cu(OH)2。加入HCl后，Fe(OH)3、Cu(OH)2、Zr(OH)4溶于HCl，H2SiO3不溶。加入Cu抑制剂，除去Cu杂质。加入NH4SCN后，Fe3+和Zr4+形成配合物Fe(SCN)3、Zr(SCN)4。加入有机溶剂MIBK，将Zr(SCN)4萃取到有机层，再用H2SO4将Zr(SCN)4萃取到水层，加入NH3，生成Zr(OH)4，煅烧后得到ZrO2。

(1)将锆石粉碎的目的是增大接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；

(2)根据信息，“氯化”过程中，ZrSiO4与氯气、CO反应的生成物中含有ZrC14、SiCl4，同时根据氧化还原反应原理可知生成物中还含有CO2，故反应的化学方程式为ZrSiO4+2Cl2+4CO=ZrC14+SiCl4+4CO2；观察图像可知产率最高点时的压强和温度分别是1MPa、380~400℃；温度过高会使ZrC14升华，导致产率降低；

(3)Cu2+沉淀完全时溶液中满足：1.0×10-6•c2(CN-)=4×10-10，即c(CN-)=0.02mol·L-1；

(4)漂白液的有效成分是NaClO，由题意知，发生反应的离子方程式为2CN-+5C1O-+2OH-=2+5Cl-+N2↑+H2O；

(5)“配合”后，Fe3+、Zr4+分别生成Fe(SCN)3、Zr(SCN)4；

Fe(SCN)3难溶于MIBK，Zr(SCN)4则被MIBK萃取进入有机层，从而达到分离铁、富集锆的目的。