Question

2．含鋅廢催化劑中除含大量ZnO外，同時(shí)還可能含有CuO、Al₂O₃和Fe₂O₃雜質(zhì)，回收廢催化劑中的鋅及其他金屬，可以緩解礦產(chǎn)資源的供需矛盾．某回收法的工藝流程如下：
已知：常溫下，1mol•L^-1氨水的pH約為11.5，Al₂O₃在pH=10.8時(shí)開始溶解．
（1）ZnO與Al₂O₃均可溶于強(qiáng)堿，1molZnO能消耗0.5mol•L^-1的NaOH溶液4L
（2）浸取時(shí)生成[Zn（NH₃）₄]CO₃，浸取時(shí)反應(yīng)的化學(xué)方程式為ZnO+3NH₃+NH₄HCO₃=[Zn（NH₃）₄]CO₃+H₂O．
（3）溫度和浸取制的pH對(duì)鋅浸出率的影響如圖所示．

①適宜選擇的溫度為328K；溫度不宜過高的原因是氨氣溶解度下降，同時(shí)碳酸氫銨會(huì)分解，不利于生成[Zn（NH₃）₄]CO₃
②適宜選擇的pH為9.5；pH過高，其他雜質(zhì)離子易進(jìn)入浸取液，該反應(yīng)的離子方程式是Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O
（4）濾液蒸氮時(shí)，鋅銨溶液最終會(huì)以堿式碳酸鋅沉淀的形式從溶液中析出．
①洗滌沉淀的方法是沿玻璃棒向過濾器中加入蒸餾水至浸沒固體為止，等水流盡后，重復(fù)2到3次
②堿式碳酸鋅的化學(xué)式為Zn_x（OH）_y（CO₃）_z，為確定其組成進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：
a．稱取3.23g樣品進(jìn)行高溫煅燒至質(zhì)量不再改變
b．將生成的氣體依次通過分別盛有濃硫酸、堿石灰的裝置，裝置質(zhì)量分別增加0.36g，0.44g；
c．剩余固體的質(zhì)量為2.43g
堿式碳酸鋅的化學(xué)式為Zn₃（OH）₄CO₃
③根據(jù)步驟②中所得數(shù)據(jù)，寫出蒸氮反應(yīng)的化學(xué)方程式：3[Zn（NH₃）₄]CO₃+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Zn₃（OH）₄CO₃+12NH₃↑+2CO₂↑．

Answer 1

分析 工藝流程分析：含鋅廢催化劑中除含大量ZnO外，同時(shí)還可能含有CuO、Al₂O₃和Fe₂O₃雜質(zhì)，經(jīng)過化漿、分散、浸取，鋅元素生成了[Zn（NH₃）₄]CO₃，過濾后濾液中加入鋅發(fā)生置換反應(yīng)得鋅銨溶液，鋅銨溶液加熱蒸發(fā)，最終得到堿式碳酸鋅沉淀，
（1）ZnO與Al₂O₃均可溶于強(qiáng)堿，根據(jù)ZnO與氫氧化鈉反應(yīng)生成Na₂ZnO₂的化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算；
（2）浸取時(shí)生成[Zn（NH₃）₄]CO₃，時(shí)反應(yīng)物為ZnO、NH₃、NH₄HCO₃，根據(jù)元素守恒書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式；
（3）①根據(jù)溫度與鋅浸出率的圖選取浸出率最高的為適宜溫度，在浸取過程中溫度過高氨氣溶解度下降，同時(shí)碳酸氫銨會(huì)分解；
②根據(jù)pH與鋅浸出率的圖選取浸出率最高的為適宜pH值，pH過高，氧化鋁會(huì)溶解，從而引入偏鋁酸根離子雜質(zhì)；
（4）①洗滌沉淀時(shí)，就在過濾器中加入蒸餾水，操作同過濾，重復(fù)2到3次；
②3.23gZn_x（OH）_y（CO₃）_z高溫煅燒至質(zhì)量不再改變，生成的水為0.36g，二氧化碳為0.44g，剩余固體氧化鋅的質(zhì)量為2.43g，根據(jù)元素守恒計(jì)算出鋅、氫、碳元素的物質(zhì)的量之比，進(jìn)而確定x、y、z的比值及堿式碳酸鋅的化學(xué)式；
③根據(jù)步驟②中所得數(shù)據(jù)，利用元素守恒可寫出蒸氮反應(yīng)的化學(xué)方程式．

解答 解：工藝流程分析：含鋅廢催化劑中除含大量ZnO外，同時(shí)還可能含有CuO、Al₂O₃和Fe₂O₃雜質(zhì)，經(jīng)過化漿、分散、浸取，鋅元素生成了[Zn（NH₃）₄]CO₃，過濾后濾液中加入鋅發(fā)生置換反應(yīng)得鋅銨溶液，鋅銨溶液加熱蒸發(fā)，最終得到堿式碳酸鋅沉淀，
（1）ZnO與Al₂O₃均可溶于強(qiáng)堿，ZnO與氫氧化鈉反應(yīng)生成Na₂ZnO₂，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaOH+ZnO═Na₂ZnO₂+H₂O，根據(jù)方程式可知1molZnO能消耗2molNaOH，即NaOH溶液的體積為4L，
故答案為：4；
（2）浸取時(shí)生成[Zn（NH₃）₄]CO₃，時(shí)反應(yīng)物為ZnO、NH₃、NH₄HCO₃，反應(yīng)的化學(xué)方程式為ZnO+3NH₃+NH₄HCO₃=[Zn（NH₃）₄]CO₃+H₂O，
故答案為：ZnO+3NH₃+NH₄HCO₃=[Zn（NH₃）₄]CO₃+H₂O；
（3）①根據(jù)溫度與鋅浸出率的圖可知，328K左右時(shí)浸出率最高，在浸取過程中溫度過高氨氣溶解度下降，同時(shí)碳酸氫銨會(huì)分解，不利于生成[Zn（NH₃）₄]CO₃，
故答案為：328K；氨氣溶解度下降，同時(shí)碳酸氫銨會(huì)分解，不利于生成[Zn（NH₃）₄]CO₃；
②根據(jù)pH與鋅浸出率的圖可知，pH值為9.5時(shí)浸出率最高，pH過高，氧化鋁會(huì)溶解，從而引入偏鋁酸根離子雜質(zhì)，反應(yīng)的離子方程式為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，
故答案為：9.5；Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（4）①洗滌沉淀時(shí)，沿玻璃棒向過濾器中加入蒸餾水至浸沒固體為止，等水流盡后，重復(fù)2到3次，
故答案為：沿玻璃棒向過濾器中加入蒸餾水至浸沒固體為止，等水流盡后，重復(fù)2到3次；
②3.23gZn_x（OH）_y（CO₃）_z高溫煅燒至質(zhì)量不再改變，生成的水為0.36g即0.02mol，二氧化碳為0.44g即0.01mol，剩余固體氧化鋅的質(zhì)量為2.43g即0.03mol，根據(jù)元素守恒可知，鋅、氫、碳元素的物質(zhì)的量之比為3：4：1，所以堿式碳酸鋅的化學(xué)式為Zn₃（OH）₄CO₃，
故答案為：Zn₃（OH）₄CO₃；
③根據(jù)步驟②中所得數(shù)據(jù)可知，生成的固體為Zn₃（OH）₄CO₃，所以蒸氮反應(yīng)的化學(xué)方程式為3[Zn（NH₃）₄]CO₃+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Zn₃（OH）₄CO₃+12NH₃↑+2CO₂↑，
故答案為：3[Zn（NH₃）₄]CO₃+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Zn₃（OH）₄CO₃+12NH₃↑+2CO₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生對(duì)于工藝流程原理的理解、對(duì)操作與實(shí)驗(yàn)條件控制的理解等，涉及鋁、鐵、銅等元素化合物知識(shí)，以及常用化學(xué)用語(yǔ)書寫、分離提純等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與綜合運(yùn)用能力，難度中等，試題知識(shí)點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)計(jì)算能力．