Question

18．鈦是繼鐵、鋁后的第三金屬，二氧化鈦廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)表面涂料、紙張涂層等，二氧化鈦還可作為制備鈦單質(zhì)的原料．
Ⅰ．用鈦鐵礦制取二氧化鈦，（鈦鐵礦主要成分為FeTiO₃，其中Ti元素化合價(jià)為+4價(jià)，含有Fe₂O₃雜質(zhì)．）主要流程如下：

（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應(yīng)的離子方程式Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）加Fe的作用是將Fe³⁺還原為Fe²⁺．

Ⅱ．由金紅石（含TiO₂大于96%）為原料生產(chǎn)鈦的流程如下：
（3）反應(yīng)②的方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti，該反應(yīng)需要在Ar氣氛中進(jìn)行的原因是防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂（或N₂、CO₂）作用．
（4）海棉鈦通常需要經(jīng)過真空電弧爐里熔煉提純，也可通過碘提純法，原理為：
Ti（s）+2I₂（g）$?_{約1250℃}^{400℃}$TiI₄（g）下列說法正確的是（d）．
（a） 該反應(yīng)的△H＞0               
（b） 在不同溫度區(qū)域，TiI₄的量保持不變
（c） 在提純過程中，I₂的量不斷減少
（d） 在提純過程中，I₂的作用是將粗鈦從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)
Ⅲ．科學(xué)家從電解冶煉鋁的工藝得到啟發(fā)，找出了冶煉鈦的新工藝．

（5）TiO₂直接電解法生產(chǎn)鈦是一種較先進(jìn)的方法，電解質(zhì)為熔融的氧化鈣，原理如右圖所示 該方法陰極獲得鈦的電極反應(yīng)為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
（6）在上述方法的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種更加綠色環(huán)保的技術(shù)，陽極改用金屬陶瓷，并在陽極通入某種常見的還原性氣體單質(zhì)，則生成無污染的電極產(chǎn)物．通入的氣體是H₂．

Answer 1

分析 I．鈦鐵礦用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺，過濾除去不溶物，濾液冷卻結(jié)晶析出硫酸亞鐵晶體，過濾分離，濾液中經(jīng)過系列轉(zhuǎn)化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應(yīng)生成硫酸鐵與水；
（2）加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃時(shí)、氬氣環(huán)境下，Na與四氯化鈦發(fā)生置換反應(yīng)；高溫時(shí)，Na、Ti易與空氣中的氧氣等發(fā)生反應(yīng)；
（4）（a）較低溫度下有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，高溫下有利于反應(yīng)逆向進(jìn)行，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
（b） 高于400℃，鈦和碘反應(yīng)生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解；
（c）400℃時(shí)碘和鈦反應(yīng)生成四氯化鈦，在1250℃四氯化鈦分解生成碘和鈦，I₂循環(huán)利用；
（d）低溫得到TiI₄（g），高溫下TiI₄（g）分解得到Ti（s）與I₂（g），在提純過程中，I₂的作用是將粗鈦從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)．
Ⅲ．TiO₂直接電解法生產(chǎn)鈦，發(fā)生還原反應(yīng)，二氧化鈦為陰極，連接電源負(fù)極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子；石墨為陽極，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在陽極獲得電子生成氧氣，會(huì)與石墨反應(yīng)生成CO等有毒氣體，石墨改為某金屬陶瓷電極并通入一種還原性氣體，反應(yīng)后的生成物沒有污染，可以是生成水．

解答 解：I．鈦鐵礦用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺，過濾除去不溶物，濾液冷卻結(jié)晶析出硫酸亞鐵晶體，過濾分離，濾液中經(jīng)過系列轉(zhuǎn)化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應(yīng)生成硫酸鐵與水，反應(yīng)離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，故答案為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）加Fe的作用是：將Fe³⁺還原為Fe²⁺，故答案為：將Fe³⁺還原為Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃時(shí)、氬氣環(huán)境下，Na與四氯化鈦發(fā)生置換反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti，高溫時(shí)，Na、Ti易與空氣中的氧氣等發(fā)生反應(yīng)，所以該反應(yīng)需要在Ar氣氛中進(jìn)行，
故答案為：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti；防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂（或N₂、CO₂）作用；
（4）（a）較低溫度下有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，高溫下有利于反應(yīng)逆向進(jìn)行，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則該反應(yīng)正反應(yīng)的△H＜0，故錯(cuò)誤；
（b）高于400℃，鈦和碘反應(yīng)生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解，故B錯(cuò)誤；
（c）400℃時(shí)碘和鈦反應(yīng)生成四氯化鈦，在1250℃四氯化鈦分解生成碘和鈦，I₂循環(huán)利用，I₂的量不變，故錯(cuò)誤；
（d）在提純過程中，高于400℃，鈦和碘反應(yīng)生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解，所以I₂的作用是將粗鈦從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)，故正確；
故選：（d）；
Ⅲ．（5）TiO₂直接電解法生產(chǎn)鈦，發(fā)生還原反應(yīng)，二氧化鈦為陰極，連接電源負(fù)極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子，陰極電極反應(yīng)式為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）石墨為陽極，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在陽極獲得電子生成氧氣，會(huì)與石墨反應(yīng)生成CO等有毒氣體，石墨改為某金屬陶瓷電極并通入一種還原性氣體，反應(yīng)后的生成物沒有污染，可以是生成水，所以該氣體是氫氣，
故答案為：H₂；
（c） 在提純過程中，高于400℃，碘和鈦反應(yīng)生成四氯化鈦，在1250℃四氯化鈦分解生成碘和鈦，所以I₂的量不變，故錯(cuò)誤；
（d） 在提純過程中，高于400℃，碘和鈦反應(yīng)生成四氯化鈦，在1250℃四氯化鈦分解生成碘和鈦，所以I₂的作用是將粗鈦從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)，故正確；
故答案為：d；
III．（5）電解時(shí)，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以二氧化鈦得電子生成鈦和氧離子，和電源負(fù)極相連，電極反應(yīng)式為TiO₂+4e-=Ti+2O^2-；
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）陰極上加入的物質(zhì)應(yīng)該具有還原性且是氣體，反應(yīng)后的生成物沒有污染，水沒有污染，所以該氣體是氫氣，故答案為：H₂．

點(diǎn)評 本題以金屬的冶煉為載體，考查化學(xué)工藝流程、電解原理、化學(xué)平衡移動(dòng)、信息獲取等問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題能力、信息獲取與知識(shí)移運(yùn)用，難度中等．