Question

19．鈦合金是航天航空工業(yè)的重要材料．由鈦鐵礦（主要成分是 TiO₂和 Fe 的氧化物）制備 TiO₂等產(chǎn)品的一種工藝流程示意如圖1：

已知：①TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)酸性溶液中
②TiCl₄的熔點(diǎn)-25.0℃，沸點(diǎn) 136.4℃；SiCl₄的熔點(diǎn)-68.8℃，沸點(diǎn)57.6℃回答下列問(wèn)題：
（1）寫出鈦鐵礦酸浸時(shí)，主要成分 TiO₂反應(yīng)的離子方程式TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入鐵屑的作用是使Fe³⁺還原為Fe²⁺．
（2）操作Ⅱ包含的具體操作方法有蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾（洗滌）．
（3）（3）向“富含 TiO²⁺溶液”中加入 Na₂CO₃粉末得到固體 TiO₂•nH₂O，請(qǐng)用恰當(dāng)?shù)脑�理和化學(xué)用語(yǔ)解釋其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），促進(jìn)水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移動(dòng)，廢液中溶質(zhì)的主要成分是Na₂SO₄（填化學(xué)式）．
（4）用金紅石（主要含 TiO₂）為原料，采用亨特（Hunter）法生產(chǎn)鈦的流程如圖2：
寫出沸騰氯化爐中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的 TiCl₄液體中常含有少量 SiCl₄雜質(zhì)，可采用蒸餾（或分餾）方法除去．
（5）TiO₂直接電解法生產(chǎn)金屬鈦是一種較先進(jìn)的方法，電解液為某種可以傳導(dǎo) O^2-離子的熔融鹽，原理如圖3所示，則其陰極電極反應(yīng)為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，電解過(guò)程中陽(yáng)極電極上會(huì)有氣體生成，該氣體可能含有O₂、CO、CO₂．

Answer 1

分析 鈦鐵礦中加入稀硫酸，經(jīng)充分反應(yīng)后過(guò)濾，所得濾液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，從溶液中得到硫酸亞鐵晶體，應(yīng)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，過(guò)濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動(dòng)，可得到TiO₂粗產(chǎn)品，以此解答該題．

解答 解：（1）由題給反應(yīng)流程可知TiO₂與酸反應(yīng)生成TiO²⁺，則反應(yīng)的離子方程式為TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入鐵屑，可得到硫酸亞鐵晶體，說(shuō)明加入鐵屑的作用是使Fe³⁺還原為Fe²⁺，
故答案為：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；使Fe³⁺還原為Fe²⁺；
（2）從溶液中得到硫酸亞鐵晶體，應(yīng)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，過(guò)濾等操作，有時(shí)需要洗滌晶體，以除去表面吸附的離子，
故答案為：蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾（洗滌）；
（3）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動(dòng)，可得到TiO₂粗產(chǎn)品，在整個(gè)制備流程中分別加入硫酸和碳酸鈉，則廢液中主要含有硫酸鈉，即Na₂SO₄，
故答案為：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），促進(jìn)水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移動(dòng)；Na₂SO₄；
（4）由反應(yīng)流程可知TiO₂、C和Cl₂反應(yīng)生成TiCl₄和CO，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的TiCl₄液體中常含有少量SiCl₄雜質(zhì)，因二者的沸點(diǎn)不同，可用蒸餾的方法分離，
故答案為：TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；蒸餾（或分餾）；
（5）電解時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ti，電極方程式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極方程式為2O^2-+4e^-=O₂，陽(yáng)極生成O₂，由于陽(yáng)極材料為石墨，則氧氣和石墨反應(yīng)可生成CO、CO₂等，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；O₂、CO、CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的制備、為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，注意把握�?shí)驗(yàn)的原理和目的，為解答該類題目的關(guān)鍵，注意物質(zhì)的性質(zhì)，結(jié)合題給信息解答，難度中等．