Question

工業(yè)上，以鈦鐵礦為原料制備二氧化鈦的工藝流程如下圖所示．鈦鐵礦主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），其中一部分鐵元素在風(fēng)化過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)化為+3價(jià)．

已知：TiOSO₄遇水會(huì)水解．
（1）步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺的反應(yīng)的離子方程式為______．
（2）步驟③中，實(shí)現(xiàn)混合物的分離是利用物質(zhì)的______（填字母序號(hào)）．
a．熔沸點(diǎn)差異　　　　　 b．溶解性差異　　　　　c．氧化性、還原性差異
（3）步驟②、③、④中，均需用到的操作是______（填操作名稱）．
（4）請(qǐng)結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)用化學(xué)平衡理論解釋步驟④中將TiO²⁺轉(zhuǎn)化為H₂TiO₃的原理：______．
（5）可以利用生產(chǎn)過(guò)程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應(yīng)生產(chǎn)硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），該反應(yīng)的離子方程式為______．
（6）研究發(fā)現(xiàn)，可以用石墨作陽(yáng)極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，利用如下圖所示裝置獲得金屬鈣，并以鈣為還原劑，還原二氧化鈦制備金屬鈦．

①寫出陽(yáng)極所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式：______．
②在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，其原因是（請(qǐng)結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)解釋）______．

Answer 1

解：（1）故答案為：步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺的反應(yīng)的離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，故答案為：2Fe³⁺+Fe═3Fe²⁺；
（2）步驟③冷卻結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體，利用的是物質(zhì)溶解度的不同，通過(guò)冷卻熱飽和溶液得到，故答案為：b；
（3）②③④步驟的操作過(guò)程中都得到沉淀或晶體，所以需要過(guò)濾得到固體和溶液，故答案為：過(guò)濾；
（4）④中使用熱水的目的是促進(jìn)TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加入熱水稀釋、升溫后，
平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃；
故答案為：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加入熱水稀釋、升溫后，平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃．
（5）利用生產(chǎn)過(guò)程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應(yīng)生產(chǎn)硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），利用二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子為三價(jià)鐵離子，反應(yīng)的離子方程式為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（6）①用石墨作陽(yáng)極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極析出鈣金屬發(fā)生還原反應(yīng)，陽(yáng)極圖示產(chǎn)物可可知，陽(yáng)極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽(yáng)極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳，所以電極反應(yīng)為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見(jiàn)，CaO的量不變；
或：制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽(yáng)極：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO₂ Ti+2CaO，由此可見(jiàn)，CaO的量不變；
故答案為：制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見(jiàn)，CaO的量不變．
分析：（1）鐵粉將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺；
（2）溶液中析出晶體是利用物質(zhì)溶解度的不同得到；
（3）②③④都是從溶液中得到固體的分離過(guò)程，需要用過(guò)濾裝置；
（4）依據(jù)溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影響因素和平衡移動(dòng)原理分析判斷；
（5）廢液主要是亞鐵離子、氫離子和二氧化錳反應(yīng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成錳離子和鐵離子；
（6）①依據(jù)裝置圖分析判斷，陽(yáng)極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽(yáng)極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳；
②制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽(yáng)極：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見(jiàn)，CaO的量不變．
點(diǎn)評(píng)：本題考查了物質(zhì)分離的流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，離子性質(zhì)的應(yīng)用，分離操作的方法，氧化還原反應(yīng)的離子方程式的書寫方法，電解池原理的應(yīng)用，電極反應(yīng)的書寫原則．