题目内容
TiO2俗称钛白粉,用途广泛,现正广泛开发,将来有机会成为新工业。工业上利用TiO2制备金属钛的流程如下。
已知:I.
Ti(s)+O2(g)=TiO2(s) △H=-946 kJ·mol-1
2C(s)+O2(g)=2CO(g) △H=-221 kJ·mol-1
Ti(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g) △H=-815 kJ·mol-1
II.某温度下各物质的沸点如下:
物质 | TiCl4 | FeCl3 | SiCl4 | AlCl3 |
沸点/℃ | 136 | 310 | 56.5 | 180 |
回答下列问题:
(1)在氯化工序中发生反应:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO (g) 。试计算其反应的△H= kJ?mol-1;反应的平衡常数表达式K= ,在下图中作出TiCl4达到平衡后百分含量随温度的变化趋势图。
(2)氯化过程中带入的副产物有FeCl3、SiCl4和AlCl3,可用 方法获得较纯净的TiCl4。
(3)TiO2与Cl2反应:TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(l)+O2(g)△H=+151kJ?mol-1。该反应在高温条件下但难以发生,但加入碳后反应能顺利进行,试解析上述原因
(4)还原工序要在惰性气体的气氛中进行的理由是_______________________。
(5)制取Ti的新工艺是用二氧化钛作阴极,以石墨为阳极,以CaCl2熔盐做电解质(在熔融状态下能传导O2-),电解而得到Ti,该工艺具有操作简单,成本低,无污染等优点,写出电解制备金属钛时阴极的电极反应式: 。
(16分)
(1)—90 (2分);
(平衡常数2分,作图2分,共4分)
(2)蒸馏(分馏) (2分)
(3)降低生成物O2浓度,平衡向正方向移动 (或者碳与氧气反应放热,升高温度,导致平衡向吸热反应方向或正反应方向移动,3分)
(4)防止高温下Na(Ti)与空气中的O2(或CO2)作用(2分)
(5)TiO2+4e-=Ti+2O2- (3分)
解析试题分析:(1)先将已知热化学方程式编号为①②③,观察发现③—①+②可以约去Ti(s)、O2(g),根据盖斯定律,可以得到热化学方程式:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO (g) △H=-90 kJ·mol-1;根据平衡常数定义可知,;由于正反应的△H=-90 kJ·mol-1,正反应是放热反应,升高温度,平衡向吸热反应方向或逆反应方向移动,则TiCl4的百分含量逐渐减小,即随着温度的升高,TiCl4的百分含量逐渐减小;(2)读表中信息,TiCl4的沸点与杂质相差较大,因此可以利用沸点差异大的性质,选择蒸馏或分馏进行分离提纯;(3)从外界条件对化学平衡移动的角度分析,加入碳后,碳能与氧气反应生成二氧化碳,即C(s)+O2(g)=CO2(g),减小氧气浓度,使平衡向正反应方向移动;同时碳与氧气反应放出热量,使体系温度升高,由于正反应是吸热反应,则升温平衡向正反应方向移动;(4)还原工序中加入的钠是强氧化剂,容易被空气中氧气或水、二氧化碳等物质氧化,在惰性气体氛围中能防止高温下Na(Ti)与空气中的O2(或CO2)作用,提高钛的产率;(5)根据电解原理,阴极的主要反应物和产物分别是二氧化钛和单质钛,即TiO2→Ti;由于钛元素由+4价降为0价,得到4个电子,则TiO2+4e—→Ti;由于内电路中熔融电解质中氧离子可以传导,因此用氧离子使左右电荷守恒,即TiO2+4e—→Ti+2O2—;所以,阴极反应式为TiO2+4e-=Ti+2O2-。
考点:考查化学反应原理,涉及盖斯定律、平衡常数表达式、画出温度对生成物百分含量的影响曲线、混合物分离与提纯的方法、用化学平衡移动原理解释原因、利用氧化还原反应解释原因、电解原理、熔融电解质中阴极反应式等。
(11分)Ⅰ.“中东有石油,中国有稀土”。稀土金属是我国战略性资源,应加以保护。稀土金属是周期表中ⅢB族中钪、钇和镧系十七种元素的总称,都是很活泼的金属,性质极为相似,常见化合价为+3价。钇(Y)元素是激光和超导的重要材料。我国蕴藏着丰富的钇矿石(Y2FeBe2Si2O10),以此矿石为原料生产氧化钇(Y2O3)的主要流程如下:
已知:①有关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH如下表:
离子 | 开始沉淀时的pH | 完全沉淀时的pH |
Fe3+ | 2.7 | 3.7 |
Y3+ | 6.0 | 8.2 |
②在周期表中,铍、铝元素处于第二周期和第三周期的对角线位置,化学性质相似。
(1)欲从Na2SiO3和Na2BeO2的混合溶液中制得Be(OH)2沉淀。则最好选用盐酸和 (填字母)
两种试剂,通过必要的操作即可实现。
A.NaOH溶液 B、氨水 C、CO2 D、HNO3
(2)流程图中用氨水调节pH=a时生成沉淀的化学式为 ,继续加氨水调至pH=b,此时发生反应的离子方程式为 。
(3)沉淀C为草酸钇,写出草酸钇隔绝空气加热生成Y2O3的化学方程式: 。
Ⅱ镧系元素铈(Ce)是地壳中含量最高的稀土元素,在加热的条件下CeCl3易发生水解。
(4)无水CeCl3可用加热CeCl3·6H2O和NH4Cl固体混合物的方法来制备,其中NH4Cl的作用是___
。
(5)在某强酸性混合稀土溶液中加入H2O2,调节pH≈3,Ce3+通过反应形成Ce(OH)4沉淀得以分离, 写出反应的离子方程式 。
某工厂用CaSO4、NH3、H2O、CO2制备(NH4)2SO4,其工艺流程如下:
下列推断不合理的是 ( )。
A.生成1 mol(NH4)2SO4至少消耗2 mol NH3 |
B.CO2可被循环使用 |
C.往甲中通CO2有利于(NH4)2SO4的生成 |
D.直接蒸干滤液即可得到纯净的(NH4)2SO4 |
某地农田土壤胶体的胶粒带负电荷,若在该农田里施加含氮量相等的下列化肥,有效成分利用率最差的是( )
A.(NH4)2SO4 | B.NH4HCO3 | C.NH4NO3 | D.NH4Cl |
要经常向农田里施用钾肥的主要原因是( )。
A.土壤中钾元素的含量太少,需靠施用钾肥才能满足农作物生长的需要 |
B.土壤中钾元素的含量不少,但大多数以难溶于水的矿物质形式存在,农作物难以吸收 |
C.土壤中钾元素的含量不少,但都易溶于水被雨淋失,需施钾肥加以补充 |
D.钾元素是农作物生长需要量最大的元素,必须经常施钾肥加以补充 |