Question

5．[探究一]为测定钛铁矿（含FeTiO₃，钛酸亚铁）中可提取氧的质量分数，某研究性学习小组设计了如图两套实验装置：（注：可提取氧指的是可被H₂、C转化为H₂O、CO₂的氧原子）

（1）已知FeTiO₃被H₂还原后，生成Fe、TiO₂和水，学生甲设想用图-1装置（A为电加热装置）从钛铁矿中提取氧．请写出FeTiO₃在加热时被H₂还原的化学方程式：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O
（2）已知FeTiO₃被C还原后生成Fe、TiO₂和CO₂，学生乙设想用图-2装置（A为电加热装置）从钛铁矿中提取氧，并且认为该方案的意义在于：反应产生的CO₂可通过绿色植物的光合作用转化为营养物质，同时产生氧气：
6CO₂+6H₂O $\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂．实验过程中，称得反应前装置A中钛铁矿的质量为ag，炭粉的质量为bg，反应后装置B中产生CaCO₃的质量为cg，则钛铁矿中可提取氧的质量分数的表达式为$\frac{32c}{100a}$．
（3）经专家评审后，认定两个方案都很有意义，但实验设计方面还存在不足之处，例如图-2装置在加热时，生成的CO₂不可能全部被澄清石灰水吸收，同时钛铁矿和炭粉在加热时还会产生CO，给实验带来误差．
①请对学生乙的设想提出改进措施：改用图-1装置加热钛铁矿和炭粉，并在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管，在B之后增加在B之后增加盛碱石灰的干燥管．
②改进后，实验自始至终需持续向装置A中通入N₂的目的是反应前将装置中的空气赶出，反应开始后可将CO₂及时赶出使之被碱石灰吸收．
[探究二]纳米TiO₂作为一种光催化剂越来越受到人们的关注，现正广泛开发运用．
（4）某科研小组在不同的载体（钛片、铝片、陶瓷）表面制备二氧化钛薄膜，来考察不同载体TiO₂薄膜光催化使甲基橙脱色，每次光照20min取一次样，实验结果如图-3所示，下列说法正确的是bd．（双选）
（a）不同载体，无论何种温度一定是钛片最好
（b）约在520℃时，钛片载体的光催化活性最好
（c）无论何种载体，催化活性总是随温度的升高而升高
（d）不同负载TiO₂薄膜的光催化活性不同．

Answer 1

分析 （1）已知FeTiO₃被H₂还原后，生成Fe、TiO₂和水，反应的化学方程式为：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；
（2）根据关系式：CaCO₃～CO₂～O₂，计算钛铁矿中可提取氧的质量分数；
（3）①对学生乙的设想提出改进措施：改用图1装置，为了CO充分反应生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管；为了防止空气中的CO₂进入U型管B，在B之后增加盛碱石灰的干燥管；②实验自始至终需持续向装置A中通入N₂，反应前可以将装置中的空气赶出，反应开始后可将CO₂及时赶出使之被碱石灰吸收；
（4）根据图中脱色率与温度关系解题．

解答 解：（1）已知FeTiO₃被H₂还原后，生成Fe、TiO₂和水，反应的化学方程式为：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；故答案为：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；
（2）根据关系式：CaCO₃～CO₂～O₂，钛铁矿中可提取氧的物质的量为$\frac{c}{100}$mol，则钛铁矿中可提取氧的质量分数的表达式为$\frac{32c}{100a}$，故答案为：$\frac{32c}{100a}$；
（3）①对学生乙的设想提出改进措施：改用图1装置，为了CO充分反应生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管；为了防止空气中的CO₂进入U型管B，在B之后增加盛碱石灰的干燥管；
故答案为：CuO粉末；在B之后增加盛碱石灰的干燥管；
②改进后，实验自始至终需持续向装置A中通入N₂，反应前可以将装置中的空气赶出，反应开始后可将CO₂及时赶出使之被碱石灰吸收；
故答案为：反应前将装置中的空气赶出，反应开始后可将CO₂及时赶出使之被碱石灰吸收；
（4）a．由图知，500度以下钛片最差，故a错误；
b．由图知，在520℃时，脱色率最高，钛片载体的光催化活性最好，故b正确；
c．520℃后钛片催化活性随温度的升高而较低，故c错误；
d．由图知，相同温度时，不同的载体（钛片、铝片、陶瓷），TiO₂薄膜的光催化活性不同，故d正确．
故选bd．

点评 本题考查钛铁矿中可提取氧的质量分数，设计实验方案的设计与改进，难度中等，明确实验原理是解题的关键．