题目内容
9.金属钛易于和肌肉长在一起,可用于制造各种人造关节,因此被称为“生物金属”.工业上由钛铁矿(主要成分为FeTiO3,含少量Fe2O3)制备钛的工艺流程如下:(1)进行步骤Ⅰ前,钛铁矿需要先粉碎成细颗粒,目的为增大反应速率.
(2)步骤Ⅰ中所发生的主要反应的化学方程式为FeTiO3+C $\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$Fe+TiO2+CO↑.
(3)将步骤Ⅱ中所发生的主要反应记为反应①,则①的化学方程式为TiO2+2Cl2+2C$\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$TiCl4+2CO;有同学认为步骤Ⅱ中的物质转化中只需通入氯气,而无需加入焦炭就能实现,即发生反应②:TiO2+2Cl2 TiCl4+O2.已知相关数据如下:
反应 | △H/kJ•mol-1 | △S/J•K-1•mol-1 |
① | -72.1 | +220 |
② | +149 | +41 |
(4)步骤Ⅲ中,反应物TiCl4应避免接触水,原因为防止TiCl4水解;反应结束后,用盐酸洗涤粗Ti,除去Mg、MgCl2(填化学式),即可制得海绵钛.
(5)钛铁矿转化为粗TiO2也可以通过湿法完成:先用浓H2SO4溶解,将钛铁矿转化为TiO2+,然后使其水解得到粗TiO2.用酸清洗可除去粗TiO2中的Fe(OH)3杂质,已知25℃时,Ksp[Fe(OH)3]=2.79×10-39,则该温度下,Fe(OH)3(s)+3H+(aq)?Fe3+(aq)+3H2O(1)的平衡常数K=2.79×103.
(6)金属钛还可以通过电解直接获得.以石墨为阳极,TiO2为阴极,熔融CaO为电解质,其阴极的电极反应式为TiO2+4e-=Ti+2O2-.
分析 钛铁矿(主要成分为FeTiO3,含少量Fe2O3)制备钛,钛铁矿加入过量焦炭在高温下还原生成铁和粗TiO2,加入过量焦炭在高温下氯化反应生成TiCl4,加入还原剂还原生成金属钛,酸洗后得到海绵钛;
(1)增大接触面积加快反应速率;
(2)步骤Ⅰ中所发生的主要反应是FeTiO3在高温下被碳还原生成二氧化钛、铁,碳被氧化为一氧化碳;
(3)步骤Ⅱ中所发生的主要反应是二氧化钛和氯气、碳高温发生氧化还原反应生成四氯化钛和一氧化碳,加入焦炭后发生反应①,与反应②相比,△H减小,△S增大;
(4)TiCl4遇到水易发生水解,用盐酸洗涤粗Ti,除去表面的杂质;
(5)依据平衡常数的概念结合反应写出计算式计算平衡浓度得到;
(6)电解池的阴极上得电子反应还原反应生成金属钛.
解答 解:钛铁矿(主要成分为FeTiO3,含少量Fe2O3)制备钛,钛铁矿加入过量焦炭在高温下还原生成铁和粗TiO2,加入过量焦炭在高温下氯化反应生成TiCl4,加入还原剂还原生成金属钛,酸洗后得到海绵钛;
(1)进行步骤Ⅰ前,钛铁矿需要先粉碎成细颗粒,目的为增大接触面积增大反应速率,故答案为:增大反应速率;
(2)步骤Ⅰ中所发生的主要反应是FeTiO3在高温下被碳还原生成二氧化钛、铁,碳被氧化为一氧化碳,反应的化学方程式为:FeTiO3+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO2+CO↑;
故答案为:FeTiO3+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO2+CO↑;
(3)步骤Ⅱ中所发生的主要反应是二氧化钛和氯气、碳高温发生氧化还原反应生成四氯化钛和一氧化碳,①的化学方程式为:TiO2+2Cl2+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl4+2CO,图表数据分析可知加入焦炭后发生反应①,与反应②相比,△H减小,△S增大,更有利于反应在较低温度下向右进行,
故答案为:TiO2+2Cl2+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl4+2CO;加入焦炭后发生反应①,与反应②相比,△H减小,△S增大,更有利于反应在较低温度下向右进行;
(4)步骤Ⅲ中,反应物TiCl4应避免接触水,原因为防止TiCl4水解,反应结束后,用盐酸洗涤粗Ti,除去Mg、MgCl2等杂质,制得海绵钛,
故答案为:防止TiCl4水解;Mg、MgCl2;
(5)Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)×c3(OH-)=2.79×10-39,反应Fe (OH)3+3H+?Fe3++H2O的平衡常数K=$\frac{c(F{e}^{3+})}{{c}^{3}({H}^{+})}$=$\frac{c(F{e}^{3+})}{(\frac{1{0}^{-14}}{c(O{H}^{-})})^{3}}$=c(Fe3+)×c3(OH-)×1042=2.79×10-39×1042=2.79×103,故答案为:2.79×103;
(6)电解时,阴极上得电子发生还原反应,电极反应式为TiO2+4e-=Ti+2O2-,阳极上是氧离子失电子发生氧化反应产生氧气,电极反应为2O2--4e-=O2,
故答案为:TiO2+4e-=Ti+2O2-.
点评 本题考查学生阅读题目获取信息能力、氧化还原反应、绿色化学、胶体、物质分离提纯,平衡常数计算,溶度积常数的计算应用,盖斯定律的计算应用等,难度中等,注意基础知识的掌握利用.
A. | 1 | B. | 2 | C. | 3 | D. | 4 |
A. | 该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是 0.375 mol•L-1•min-1 | |
B. | 若起始时向上述容器中充入3 mol CO2和4 mol H2,则平衡时H2的体积分数大于20% | |
C. | 若起始时向上述容器中充入4 mol CO2、2 mol H2、2 mol CH3OH和1mol H2O(g),则此时反应向正反应方向进行 | |
D. | 改变条件得到曲线Ⅱ、Ⅲ,则曲线Ⅱ、Ⅲ改变的条件分别是升高温度、充入氦气 |
A. | 标准状况下,11.2LSO3所含的原子数为1.5NA | |
B. | 常温常压下,1.8g H2O中含有的电子数为0.8NA | |
C. | 常温常压下,48g O2和O3的混合物中含有的氧原子数为3NA | |
D. | 标准状况下,0.1mol Cl2与足量NaOH溶液反应时,转移的电子数为0.2NA |
A. | KO2 | B. | K2O2 | C. | K2O3 | D. | K2O |