Question

5．TiO₂在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有重要用途．工業(yè)上用鈦鐵礦（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）制備TiO₂，再用TiO₂制備TiCl₄等產(chǎn)品的一種工藝流程如圖所示：

已知：TiO²⁺發(fā)生水解反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺
（1）硫酸與TiO₂反應(yīng)的離子方程式是TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O．
（2）由TiO₂制取TiCl₄時(shí)涉及的反應(yīng)有：
TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）═TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ/mol；
TiO₂（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ/mol；
C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₃=+282.8kJ/mol；
①反應(yīng)C（s）+CO₂（g）═2CO（g）在高溫下能夠自發(fā)進(jìn)行的原因是該反應(yīng)是熵增反應(yīng)．
②反應(yīng)C（s）+O₂（g）═CO₂（g） 的△H=-393.6kJ/mol．
（3）向I中加入鐵屑至浸出液顯紫色，此時(shí)溶液仍呈強(qiáng)酸性．該過程中有如下反應(yīng)發(fā)生：
2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；2TiO²⁺（無色）+Fe+4H⁺═2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O；
Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+H₂O═TiO²⁺（無色）+Fe²⁺+4H⁺．
結(jié)合信息判斷Fe³⁺、TiO²⁺、Fe²⁺氧化性強(qiáng)弱關(guān)系：Fe³⁺＞TiO²⁺＞Fe²⁺．
（4）向II中不斷通入高溫水蒸氣，維持溶液沸騰一段時(shí)間，析出水合二氧化鈦沉淀．請(qǐng)用化學(xué)平衡理論分析通入高溫水蒸氣的作用：通入高溫水蒸氣能降低H⁺的濃度，提高溶液濃度，促進(jìn)平衡向水解方向移動(dòng)，從而析出TiO₂•nH₂O．
（5）依據(jù)綠色化學(xué)理念，該工藝流程中存在的不足之處是產(chǎn)生了廢氣、廢液、廢渣（寫出一條即可）．
（6）工業(yè)上可通過電解TiO₂來獲得Ti（同時(shí)產(chǎn)生O₂）：處理過的TiO₂為陰極，石墨為陽極，熔融CaCl₂為電解液，電解槽中加入炭塊．陰極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；電解過程中需定期向電解槽中加入炭塊的原因是碳單質(zhì)與陽極產(chǎn)生的氧氣反應(yīng)而不斷減少．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）加入硫酸，發(fā)生反應(yīng)H₂SO₄+TiO₂=TiOSO₄+H₂O，F(xiàn)eO、Fe₂O₃和硫酸反應(yīng)生成FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃，過濾濾液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入適量的鐵后將Fe₂（SO₄）₃還原為綠礬，向含有TiO²⁺、SO₄^2-中不斷通入高溫水蒸氣，維持溶液沸騰一段時(shí)間，過濾得到TiO₂．nH₂O，焙燒得到粗TiO₂，通入氯氣加入焦炭不反應(yīng)，生成TiCl₄，
（1）硫酸與TiO₂反應(yīng)生成TiOSO₄，據(jù)此書寫；
（2）①根據(jù)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)△G=△H-T△S判斷；
②根據(jù)蓋斯定律計(jì)算；
（3）氧化還原反應(yīng)中，氧化劑的氧化性強(qiáng)于還原劑，氧化劑的氧化性強(qiáng)于氧化產(chǎn)物；
（4）TiO²⁺發(fā)生水解反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，考慮平衡移動(dòng)；
（5）該工藝流程中產(chǎn)生了廢氣、廢液、廢渣，污染環(huán)境；
（6）陰極上得電子反應(yīng)還原反應(yīng)生成金屬鈦；陽極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應(yīng)生成二氧化碳．

解答 解：（1）由流程可知，硫酸與TiO₂反應(yīng)生成TiOSO₄，離子方程式是TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，故答案為：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；
（2）①根據(jù)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)△H-T△S，△H＞0，所以高溫下才自發(fā)進(jìn)行，說明該反應(yīng)的△S＞0（或熵增加），故答案為：該反應(yīng)是熵增反應(yīng)；
②已知反應(yīng)：a、TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ•mol^-1
b、TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ•mol^-1
c、C（s）+CO₂（g）=2CO（g）?△H₃=+282.8kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)C（s）+O₂（g）=CO₂（g）可以看成是a-b-c獲得，所以該化學(xué)反應(yīng)的焓變△H=-72kJ•mol^-1-282.8kJ•mol^-1-38.8kJ•mol^-1=-393.6 kJ/mol；
故答案為：-393.6 kJ/mol；
（3）向I（TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺）中加入鐵屑，有如下反應(yīng)發(fā)生：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，說明氧化性：Fe³⁺＞Fe²⁺，2TiO²⁺（無色）+Fe+4H⁺═2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O，則氧化性：TiO²⁺＞Fe²⁺，Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O═TiO²⁺（無色）+Fe²⁺+4H⁺，則氧化性：Fe³⁺＞TiO²⁺，故氧化性為Fe³⁺＞TiO²⁺＞Fe²⁺；
故答案為：Fe³⁺；TiO²⁺；Fe²⁺；
（4）Ⅱ?yàn)楦缓琓iO²⁺的溶液，有平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，通入高溫水蒸氣能降低H⁺的濃度，提高溶液濃度，促進(jìn)平衡向水解方向移動(dòng)，從而析出TiO₂•nH₂O；
故答案為：通入高溫水蒸氣能降低H⁺的濃度，提高溶液濃度，促進(jìn)平衡向水解方向移動(dòng)，從而析出TiO₂•nH₂O；
（5）該工藝流程中產(chǎn)生了廢氣、廢液、廢渣，污染環(huán)境；
故答案為：產(chǎn)生了廢氣、廢液、廢渣；
（6）陰極上得電子反應(yīng)還原反應(yīng)生成金屬鈦，電極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應(yīng)生成二氧化碳，所以需要定期補(bǔ)充碳；
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；碳單質(zhì)與陽極產(chǎn)生的氧氣反應(yīng)而不斷減少．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的分離提純和制備，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)化學(xué)工藝流程的理解、分析、判斷及對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，涉及除雜、氧化還原反應(yīng)、電解原理等知識(shí)點(diǎn)，明確化學(xué)反應(yīng)原理、元素化合物性質(zhì)是解本題關(guān)鍵．