Question

鈦(Ti)被稱為繼鐵、鋁之后的第三金屬，鈦白(TiO₂)是目前最好的白色顏料。制備TiO₂和Ti的原料是鈦鐵礦，我國的鈦鐵礦儲量居世界首位。含有Fe₂O₃的鈦鐵礦(主要成分為FeTiO₃)制取TiO₂的流程如下：                     

                                    圖1-5

(1)Ti的原子序數(shù)為22，Ti位于元素周期表中第_________周期，第________族。

(2)步驟①加Fe的目的是：__________________________________________________；

步驟②冷卻的目的是：_____________________________________________________。

(3)上述制備TiO₂的過程中，可以利用的副產物是______________________；考慮成本和廢物綜合利用因素，廢液中應加入_________處理。

(4)由金紅石(TiO₂)制取單質Ti，涉及的步驟為：

已知：①C(S)+O₂(g)CO₂(g);ΔH=-393.5 kJ·mol^-1

②2CO(g)+O₂(g)2CO₂(g);ΔH=-566 kJ·mol^-1

③TiO₂(S)+2Cl₂(g)TiCl₄(s)+O₂(g);ΔH=+141 kJ·mol^-1

則TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(s)+2CO(g)的ΔH=______________。

反應TiCl₄+2Mg2MgCl₂+Ti在Ar氣氛中進行的理由是_______________________。

Answer 1

思路解析:本題是一道典型的無機物框圖制備題。不僅考查對基礎知識的掌握，還主要考查學科知識的綜合應用能力。

(1)由原子序數(shù)推斷元素在周期表中的位置，關鍵是熟悉元素周期表的結構，即各周期起止元素的原子序數(shù)、各族的相對位置等。Ti的原子序數(shù)為22，與熟悉的Ca(原子序數(shù)為20)相近，由Ca在元素周期表中的位置，分析推斷Ti位于第四周期，第ⅣB族。

(2)由框圖所示流程分析可知，要將TiO²⁺與Fe²⁺、Fe³⁺分離，需要先加入鐵粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺，趁熱過濾除去殘渣，再將濾液冷卻使FeSO₄·7H₂O析出。

(3)制備TiO₂過程中的副產物FeSO₄·7H₂O在工農業(yè)生產和日常生活中有較多的應用。在分離出H₂TiO₃，的廢液中，還含有少量的TiO²⁺、Fe²⁺，可加入石灰(或碳酸鈣、廢堿)降低H⁺的濃度，使之轉化為沉淀析出，進行循環(huán)利用。

(4)反應熱只與反應的始態(tài)和終態(tài)有關，而與具體的反應進行的途徑無關。將已知熱化學方程式相加減③+2×①-②得TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(s)+2CO(g)，其ΔH=141 kJ· mol^-1+2×(-393.5 kJ· mol^-1)-(-566 kJ· mol^-1)=-80 kJ· mol^-1。因為在高溫下，Mg(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂、N₂)作用，所以用Mg還原TiCl₄時要在惰性氣體(Ar)中進行。

答案：(1)4  ⅣB  (2)將Fe²⁺還原為Fe³⁺ 

析出(或分離、或得到)FeSO₄·7H₂O 

(3)FeSO₄·7H₂O     石灰(或碳酸鈣、廢堿) 

(4)-80 kJ· mol^-1 

防止高溫下Mg(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂、N₂)作用