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
-72.1+220
+149+41
结合上表数据,从反应进行的方向角度分析加入焦炭的必要性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(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.

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