Question

13．工業(yè)上生產(chǎn)金屬鈦的方法很多．以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦，生產(chǎn)的工藝流程圖如圖，其中鈦鐵礦與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+2H₂SO₄=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
 
回答下列問題：
（1）鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)屬于非氧化還原反應(yīng) （選填“氧化還原反應(yīng)”或“非氧化還原反應(yīng)”）．
（2）上述生產(chǎn)流程中加入物質(zhì)A的目的是防止Fe²⁺被氧化，物質(zhì)A是Fe，上述制備TiO₂的過程中，所得到的副產(chǎn)物和可回收利用的物質(zhì)分別是綠礬、硫酸．
（3）反應(yīng)TiCl₄+2Mg=2MgCl₂+Ti在Ar氣氛中進(jìn)行的理由是防止高溫下Mg和Ti與空氣中的氧氣（或氮?dú)狻⒍�氧化碳）作用�?br />（4）由二氧化鈦制取四氯化鈦所涉及的反應(yīng)有：
TiO₂ （s）+2Cl₂ （g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ•mol^-1
TiO₂（s）+2Cl₂ （g）=TiCl₄（g）+O₂ （g）△H₂=+38.8kJ•mol^-1
C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△△H₃=+282.8kJ•mol^-1
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△S＞0（或熵增加）．
②反應(yīng)C（s）+O₂（g）=CO₂ （g）的△H=-393.6 kJ/mol．
（5）研究發(fā)現(xiàn)，可以用石墨作陽極、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．①寫出陽極所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式：2O^2--4e^-=O₂↑或C+2O^2--4e^-=CO₂↑．
②在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，其原因是（請結(jié)合化學(xué)用語解釋）
制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

Answer 1

分析 以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦，鈦鐵礦石加入濃硫酸，鈦鐵礦與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，加入水溶解后加入鐵防止亞鐵離子被氧化，沉降分離得到溶液Ⅰ，冷卻結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體，過濾得到溶液Ⅱ?yàn)門iOSO₄，加熱過濾得到濾液為硫酸，沉淀為鈦酸，煅燒得到二氧化鈦，加入氯氣和焦炭高溫反應(yīng)，由二氧化鈦制取四氯化鈦，加入鎂反應(yīng)在Ar氣氛中進(jìn)行，發(fā)生的反應(yīng)為；TiCl₄+2Mg═2MgCl₂+Ti．
（1）根據(jù)氧化還原反應(yīng)中元素的化合價發(fā)生變化進(jìn)行判斷；
（2）亞鐵離子易被氧化為鐵離子，加入金屬鐵可以防護(hù)被氧化，根據(jù)流程確定所得到的副產(chǎn)物和可回收利用的物質(zhì)；
（3）Mg和Ti都有較強(qiáng)還原性，在高溫下都易被空氣中的O₂氧化，鎂和氮?dú)舛�氧化碳都反�?yīng)；
（4）①根據(jù)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)△H-T△S來判斷；
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，
利用蓋斯定律將a-b-c可得反應(yīng)C（s）+O₂（g）=CO₂ （g）的△H；
（5）①依據(jù)裝置圖分析判斷，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳；
②制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽極：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂=Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

解答 解：以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦，鈦鐵礦石加入濃硫酸，鈦鐵礦與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，加入水溶解后加入鐵防止亞鐵離子被氧化，沉降分離得到溶液Ⅰ，冷卻結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體，過濾得到溶液Ⅱ?yàn)門iOSO₄，加熱過濾得到濾液為硫酸，沉淀為鈦酸，煅燒得到二氧化鈦，加入氯氣和焦炭高溫反應(yīng)，由二氧化鈦制取四氯化鈦，加入鎂反應(yīng)在Ar氣氛中進(jìn)行，發(fā)生的反應(yīng)為；TiCl₄+2Mg═2MgCl₂+Ti．
（1）鈦酸亞鐵的化學(xué)式為FeTiO₃，其中鐵元素的化合價為+2價，氧元素的化合價為-2價，鈦的化合價為+4價，鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)后，TiOSO₄中鈦的化合價為+4價，硫?yàn)?6價，氧元素的化合價為-2價，F(xiàn)eSO₄中鐵元素的化合價為+2價，氧元素的化合價為-2價，無化合價的變化，是非氧化還原反應(yīng)，
故答案為：非氧化還原反應(yīng)；
（2）亞鐵離子易被氧化為鐵離子，加入金屬鐵可以防護(hù)被氧化，所以A是金屬鐵，根據(jù)流程，所得到的副產(chǎn)物是綠礬，可回收利用的物質(zhì)是硫酸，
故答案為：Fe；綠礬；硫酸；
（3）Mg和Ti都有較強(qiáng)還原性，在高溫下都易被空氣中的O₂氧化，鎂和二氧化碳反應(yīng)生成氧化鎂和碳，鎂和氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化鎂，所以反應(yīng)TiCl₄+2Mg=2MgCl₂+Ti需在Ar氣氛中進(jìn)行，
故答案為：防止高溫下Mg和Ti與空氣中的氧氣（或氮?dú)�、二氧化碳）作用�?br />（4）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：△S＞0（或熵增加）；
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；
（5）①用石墨作陽極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極析出鈣金屬發(fā)生還原反應(yīng)，陽極圖示產(chǎn)物可可知，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳，所以電極反應(yīng)為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
或：制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽極：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO₂ $\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
故答案為：制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

點(diǎn)評 本題以流程題的形式綜合考查元素化合物的性質(zhì)知識，為高考常見題型，涉及物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，離子性質(zhì)的應(yīng)用，分離操作的方法，電解池原理的應(yīng)用，電極反應(yīng)的書寫原則等，要求學(xué)生具有分析和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的良好的科學(xué)素養(yǎng)，題目難度中等．