Question

5．金屬鈦（Ti）性能優(yōu)越，被稱為繼鐵、鋁之后的“第三金屬”．工業(yè)上以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，含F(xiàn)eO、Al₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）為主要原料冶煉金屬鈦，其生產(chǎn)的工藝流程圖如下：

已知：2H₂SO₄（濃）+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步驟I中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O．

（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)酸性溶液中．25℃時(shí)，難溶電解質(zhì)溶解度（s）與pH關(guān)系如圖1，TiO（OH）₂溶度積K_sp=1×10^-29
①步驟Ⅲ加入鐵屑原因是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀．
②TiO²⁺水解的離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺．
向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是調(diào)節(jié)溶液pH值，促進(jìn)TiO²⁺水解．當(dāng)溶液pH接近3時(shí)，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄$\stackrel{Mg}{→}$Ti反應(yīng)后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸餾的方法分離得到Ti，依據(jù)下表信息，需加熱的溫度略高于1412℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔點(diǎn)/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸點(diǎn)/℃	136.4	1090	1412	3287

（4）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)，利用右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．寫出陽(yáng)極上所發(fā)生的反應(yīng)式：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

Answer 1

分析 鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應(yīng)溶解，過(guò)濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強(qiáng)酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)的硫酸等，由圖1可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發(fā)得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經(jīng)過(guò)系列操作得到Ti．
（1）步驟I中發(fā)生反應(yīng)有：氧化鋁與氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉與水，二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)生成硅酸鈉與水；
（2）①步驟Ⅲ加入鐵屑，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺；
加入碳酸鈉溶液，促進(jìn)TiO²⁺水解，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）控制穩(wěn)定使混合物中Mg、MgCl₂轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，而Ti不能轉(zhuǎn)化為氣態(tài)；
（4）電解時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，由電解池結(jié)構(gòu)可知，陽(yáng)極上氧離子失去電子生成氧氣，與碳作用生成二氧化碳．

解答 解：鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應(yīng)溶解，過(guò)濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強(qiáng)酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)的硫酸等，由圖1可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發(fā)得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經(jīng)過(guò)系列操作得到Ti．
（1）步驟I中發(fā)生反應(yīng)有：氧化鋁與氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉與水，二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)生成硅酸鈉與水，相應(yīng)反應(yīng)離子方程式為：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O，
故答案為：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①由圖可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀，
故答案為：將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時(shí)生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；
加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是：調(diào)節(jié)溶液pH值，促進(jìn)TiO²⁺水解；由圖可知，pH=3時(shí)TiO（OH）₂已沉淀完全，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；調(diào)節(jié)溶液pH值，促進(jìn)TiO²⁺水解； 3；
（3）Mg、MgCl₂的沸點(diǎn)最高是1412℃，而Ti的熔點(diǎn)為1667℃，所以當(dāng)溫度略高于1412℃時(shí)Mg、MgCl₂以氣體的形式除去，而得到Ti，
故答案為：1412；
（4）電解時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，由電解池結(jié)構(gòu)可知，陽(yáng)極上氧離子失去電子生成氧氣，與碳作用生成二氧化碳，陽(yáng)極電極反應(yīng)式為：C+2O^2--4e^-=CO₂↑，
故答案為：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)、物質(zhì)分離提純、對(duì)操作的分析評(píng)價(jià)、電解原理等，注意分析工藝流程中試劑線、原理線、操作線，要求學(xué)生具有一定分析和解決問(wèn)題的能力，題目難度中等．