Question

3．TiO₂在工业生产和日常生活中有重要用途．
I、工业上用钛铁矿石（FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质）经过下述反应制得：

其中，步骤③发生的反应为：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（1）净化钛矿石时，需用浓氢氧化钠溶液来处理，写出该过程中两性氧化物发生反应的离子反应方程式：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O．
（2）④中加入的X可能是A
A．H₂O₂     B．KMnO₄      C．KOH       D．SO₂
（3）④⑤两步的目的是除去亚铁离子．
（4）写出⑥的化学反应方程式TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄．
II、TiO₂可通过下述两种方法制备金属钛：方法一是先将TiO₂与Cl₂、C反应得到TiCl₄，再用镁还原得到Ti．
（5）写出生成TiCl₄的化学反应方程式TiO₂+Cl₂+C=TiCl₄+CO₂或TiO₂+Cl₂+2C=TiCl₄+2CO
方法二是电解TiO₂来获得Ti（同时产生O₂）：
将处理过的TiO₂作阴极，石墨为阳极，熔融CaO为电解液，用碳块作电解槽池．
（6）阴极反应的电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）．
（7）电解过程中需定期向电解槽池中加入碳块的原因是碳单质会与阳极产生的氧气反应而不断减少．

Answer 1

分析 钛铁矿石粉碎、净化，净化时加入浓NaOH溶液，发生的反应为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O、
SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O；
然后向钛铁矿石中加入过量80%硫酸并加热至343K-353K，发生反应2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，FeO和硫酸反应生成FeSO₄，加入X并调节溶液的pH得到沉淀和TiO²⁺、SO₄^2-，说明加入X后将亚铁离子氧化为铁离子然后调节溶液pH值将铁离子沉淀，
然后将TiO²⁺、SO₄^2-加热、过滤得到TiO₂.2H₂O，焙烧得到TiO₂；
（1）两性氧化物是氧化铝，和NaOH溶液反应生成盐和水；
（2）④X应该具有强氧化性，且不能引进杂质；
（3）④⑤两步的目的是除去亚铁离子；
（4）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂.2H₂O；
（5）TiO₂与Cl₂、C反应得到TiCl₄，同时生成二氧化碳或CO，再用镁还原得到Ti和氯化镁；
（6）阴极上得电子反应还原反应生成金属钛；
（7）阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气和C反应生成二氧化碳．

解答 解：钛铁矿石粉碎、净化，净化时加入浓NaOH溶液，发生的反应为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O、
SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O；
然后向钛铁矿石中加入过量80%硫酸并加热至343K-353K，发生反应2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，FeO和硫酸反应生成FeSO₄，加入X并调节溶液的pH得到沉淀和TiO²⁺、SO₄^2-，说明加入X后将亚铁离子氧化为铁离子然后调节溶液pH值将铁离子沉淀，
然后将TiO²⁺、SO₄^2-加热、过滤得到TiO₂.2H₂O，焙烧得到TiO₂；
（1）两性氧化物是氧化铝，和NaOH溶液反应生成盐和水，离子反应方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，
故答案为：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（2）④X应该具有强氧化性，且不能引进杂质，具有氧化性的是双氧水和高锰酸钾溶液，但高锰酸钾溶液氧化亚铁离子时引进新的杂质，故选A；
（3）④⑤两步的目的是除去亚铁离子，防止制得的二氧化钛中含有杂质，故答案为：除去亚铁离子；
（4）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂.2H₂O，反应方程式为TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄，
故答案为：TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄；
（5）TiO₂与Cl₂、C反应得到TiCl₄，同时生成二氧化碳或CO，再用镁还原得到Ti和氯化镁，则生成四氯化钛的反应方程式为TiO₂+Cl₂+C=TiCl₄+CO₂或TiO₂+Cl₂+2C=TiCl₄+2CO，
故答案为：TiO₂+Cl₂+C=TiCl₄+CO₂或TiO₂+Cl₂+2C=TiCl₄+2CO；
（6）阴极上得电子反应还原反应生成金属钛，电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti），
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）；
（7）阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气和C反应生成二氧化碳，所以需要定期补充碳，
故答案为：碳单质会与阳极产生的氧气反应而不断减少．

点评 本题考查物质的分离提纯和制备，为高频考点，侧重考查学生对化学工艺流程的理解、分析、判断及对知识的综合运用能力，涉及除杂、氧化还原反应、电解原理等知识点，明确化学反应原理、元素化合物性质是解本题关键，易错点是（6）题电极反应式的书写．