Question

TiO₂俗稱鈦白粉，用途廣泛，現(xiàn)正廣泛開發(fā)，將來有機會成為新工業(yè)．工業(yè)上利用TiO₂制備金屬鈦的流程如下．

已知：Ⅰ：
Ti（s）+O₂（g）=TiO₂（s）△H=-946kJ?mol^-1
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ?mol^-1
Ti（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）△H=-815kJ?mol^-1
Ⅱ：某溫度下各物質(zhì)的沸點如下：

物質(zhì)	TiCl4	FeCl3	SiCl4	AlCl3
沸點/℃	136	310	56.5	180

回答下列問題：
（1）在氯化工序中發(fā)生反應(yīng)：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）．試計算其反應(yīng)的△H=

 

 kJ?mol^-1；反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=

 

，在圖中作出TiCl₄達(dá)到平衡后百分含量隨溫度的變化趨勢圖．
（2）氯化過程中帶入的副產(chǎn)物有FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃，可用

 

方法獲得較純凈的TiCl₄．
（3）TiO₂與Cl₂反應(yīng)：TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+151kJ?mol^-1．該反應(yīng)在高溫條件下但難以發(fā)生，但加入碳后反應(yīng)能順利進(jìn)行，試解析上述原因

 

（4）還原工序要在惰性氣體的氣氛中進(jìn)行的理由是

 

．
（5）制取Ti的新工藝是用二氧化鈦作陰極，以石墨為陽極，以CaCl₂熔鹽做電解質(zhì)（在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O^2-），電解而得到Ti，該工藝具有操作簡單，成本低，無污染等優(yōu)點，寫出電解制備金屬鈦時陰極的電極反應(yīng)式：

 

．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設(shè)計,常見化學(xué)電源的種類及其工作原理,化學(xué)平衡的計算

專題：實驗設(shè)計題,基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律結(jié)合已知熱化學(xué)方程式計算出目標(biāo)熱化學(xué)方程式的焓變；根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的概念寫出反應(yīng)TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）的平衡常數(shù)表達(dá)式；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)溫度對該可逆反應(yīng)的影響作出TiCl₄達(dá)到平衡后百分含量隨溫度的變化趨勢圖；
（2）根據(jù)表中沸點數(shù)據(jù)可知，TiCl₄與FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃的沸點相差較大，可以通過蒸餾方法除去雜質(zhì)；
（3）C能夠與氧氣反應(yīng)，根據(jù)生成物濃度對化學(xué)平衡的影響分析；
（4）根據(jù)溫度較高時鈦、鈉能夠與空氣中氧氣反應(yīng)進(jìn)行解答；
（5）電解池中陰極發(fā)生還原反應(yīng)，則陰極二氧化鈦中鈦離子得到電子生成金屬鈦和氧離子，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式．

解答： 解：（1）①Ti（s）+O₂（g）=TiO₂（s）△H=-946kJ?mol^-1
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ?mol^-1
③Ti（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）△H=-815kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，③+②-①可得：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）△H=-815kJ?mol^-1+（-221kJ?mol^-1）-（946kJ?mol^-1）=-90kJ?mol^-1；
反應(yīng)TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）的平衡常數(shù)為：K=

c(TiCl4)?c2(CO)

c2(Cl2)

；
該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨著溫度的升高，化學(xué)平衡向著逆向移動，則平衡常數(shù)逐漸減小，則TiCl₄達(dá)到平衡后百分含量隨溫度的變化趨勢圖為：，
故答案為：-90；

c(TiCl4)?c2(CO)

c2(Cl2)

；；
（2）粗TiCl₄固體加熱易氣化，由表中數(shù)據(jù)可知，TiCl₄固體與含有的雜質(zhì)的沸點相差較大，可以通過蒸餾的方法分離，
故答案為：蒸餾（分餾）；
（3）反應(yīng)中TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（l）+O₂（g）加入碳后，碳與氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致生成物濃度減小，平衡向著正向移動，
故答案為：降低生成物O₂濃度，平衡向正方向移動；
（4）金屬鈉、鈦能夠與空氣中氧氣反應(yīng)，為了防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂反應(yīng)，所以還原工序要在惰性氣體的氣氛中進(jìn)行，
故答案為：防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂作用；
（5）制取Ti的新工藝是用二氧化鈦作陰極，以石墨為陽極，以CaCl₂熔鹽做電解質(zhì)（在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O^2-），電解而得到Ti，電解池中陽極氯離子失去電子生成氯氣，陰極TiO₂中鈦離子得到電子生成金屬Ti和O^2-，陰極電極反應(yīng)式為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

點評：本題通過工業(yè)上利用TiO₂制備金屬鈦的流程，考查了物質(zhì)的制備實驗方案的設(shè)計，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實驗?zāi)芰Φ目疾�，為高考常見題型，難度中等，注意把握實驗的基本原理和物質(zhì)的性質(zhì)．