Question

【題目】我國釩鈦磁鐵礦分布廣泛，儲量豐富，不僅是鐵的重要來源，其中伴生的鈦、釩、鋁等多種成分還具有很高的利用價值。其尾礦是工業(yè)提取鈦的重要來源

I.釩鈦磁鐵礦的尾礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量FeO、Al2O3、SiO2等雜質(zhì))經(jīng)選礦后得到鈦精礦過一系列反應(yīng)制得TiO2:

(1)氫氧化鈉凈化尾礦的目的是_________________________________。

(2)寫出鈦精礦中FeTiO3與80%硫酸溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式:___________________。

II.以TiO2為原料制備金屬鈦，流程如下:TiO2→TiCl4→Ti

(3)已知反應(yīng):TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H=十151kJ/mol，但不能由TiO2和Cl2直接反應(yīng)(即氯化反應(yīng))來制取TiCl4試解釋原因:___________________________________。

(4)當(dāng)往氯化反應(yīng)體系中加入碳后，使得該反應(yīng)在高溫條件下能順利制得TiCl4，從化學(xué)平衡的角度解釋其原因___________________________________________。

(5)己知碳的燃燒熱394kJ/mol，請寫出TiO2與Cl2、C反應(yīng)制取TiCl4的熱化學(xué)方程式_____________。

III.以TiO2為原料可以制備Li4Ti5O12(一種鋰離子電池的電極材料)，過程如下:

(6)不同溫度下，TiO2·xH2O與雙氧水、氨水反應(yīng)達(dá)到平衡所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示:

溫度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率	80%	90%	97%	93%	82%

該過程的理想溫度為_______________，分析表中數(shù)據(jù)，解釋TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的原因:_______________________________________，該反應(yīng)的離子方程式為________________________。

Answer 1

【答案】 除去Al2O3、SiO2等可與氫氧化鈉反應(yīng)的雜質(zhì) 2H2SO4十FeTiO3=TiOSO4十FeSO4十2H2O ΔH>0、ΔS<0得ΔG>0，反應(yīng)難發(fā)生 碳與氧氣反應(yīng)，減少了生成物的濃度，平衡正向移動，使得反應(yīng)順利進(jìn)行 TiO2(s)十2Cl2(g)十C(s)=TiCl4(s)十CO2(g) ΔH=-243kJ/mol 40℃ 30℃到40℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率fu增大，說明該反應(yīng)是吸熱反應(yīng);40℃到50℃，溫度升高，TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率降低，因?yàn)殡p氧水不穩(wěn)定易分解 5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+2NH4++(5x+5)H2O

【解析】(1)尾礦的主要成分為FeTiO3，還含有少量FeO、Al2O3、SiO2等雜質(zhì)，根據(jù)這些物質(zhì)的性質(zhì)，FeTiO3和FeO不能與NaOH反應(yīng)，而Al2O3和SiO2能與NaOH反應(yīng)，所以加入NaOH除去Al2O3、SiO2等雜質(zhì)；

(2)鈦精礦中FeTiO3和硫酸是反應(yīng)物，生成物有TiOSO4，再根據(jù)質(zhì)量守恒可寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式為2H2SO4+FeTiO3==TiOSO4+FeSO4+2H2O；

(3)根據(jù)熱化學(xué)方程式TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H= +151kJ/mol，可知△H>0，△S<0，所以△G=△H-T△S>0，因此反應(yīng)無法進(jìn)行，故不能由TiO2和Cl2直接反應(yīng)(即氯化反應(yīng))來制取TiCl4；

(4)當(dāng)往氯化反應(yīng)體系中加入碳時，在高溫下，碳與氧氣反應(yīng)生成CO2氣體，減少了生成物的濃度，使平衡正向移動，反應(yīng)才能順利進(jìn)行下去；

(5)己知碳的燃燒熱394kJ/mol，即C(s)+O2(g)=CO2(g) △H=-394kJ/mol， 又TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H=+151kJ/mol，兩式相加即得TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)= TiCl4(l) + CO2(g) △H=—243kJ/mol；

(6)由表中數(shù)據(jù)可知，在40℃時，TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率最大，所以該過程的理想溫度為40℃；分析表中數(shù)據(jù)，從30℃到40℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率增大，說明該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)；而40℃到50℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率減小，是因?yàn)殡p氧水不穩(wěn)定受熱易分解；由轉(zhuǎn)化關(guān)系可知TiO2·xH2O、H2O2和NH3·H2O是反應(yīng)物，生成物為(NH4)2 Ti5O15，根據(jù)化合價升降規(guī)律，Ti元素化合價從+4價升高到+5.6價，則H2O2中氧元素化合價降低生成水，所以反應(yīng)的離子方程式為5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+ 2NH4+ + (5x+5)H2O。