Question

工业上，以钛铁矿为原料制备二氧化钛的工艺流程如下图所示．钛铁矿主要成分为钛酸亚铁（FeTiO₃），其中一部分铁元素在风化过程中会转化为+3价．

已知：TiOSO₄遇水会水解．
（1）步骤②中，用铁粉将Fe³⁺转化为Fe²⁺的反应的离子方程式为______．
（2）步骤③中，实现混合物的分离是利用物质的______（填字母序号）．
a．熔沸点差异　　　　　 b．溶解性差异　　　　　c．氧化性、还原性差异
（3）步骤②、③、④中，均需用到的操作是______（填操作名称）．
（4）请结合化学用语用化学平衡理论解释步骤④中将TiO²⁺转化为H₂TiO₃的原理：______．
（5）可以利用生产过程中的废液与软锰矿（主要成分为MnO₂）反应生产硫酸锰（MnSO₄，易溶于水），该反应的离子方程式为______．
（6）研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，利用如下图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂，还原二氧化钛制备金属钛．

①写出阳极所发生反应的电极反应式：______．
②在制备金属钛前后，CaO的总量不变，其原因是（请结合化学用语解释）______．

Answer 1

解：（1）故答案为：步骤②中，用铁粉将Fe³⁺转化为Fe²⁺的反应的离子方程式为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，故答案为：2Fe³⁺+Fe═3Fe²⁺；
（2）步骤③冷却结晶得到硫酸亚铁晶体，利用的是物质溶解度的不同，通过冷却热饱和溶液得到，故答案为：b；
（3）②③④步骤的操作过程中都得到沉淀或晶体，所以需要过滤得到固体和溶液，故答案为：过滤；
（4）④中使用热水的目的是促进TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分离出固体加热得到TiO₂；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，当加入热水稀释、升温后，
平衡正向移动，生成H₂TiO₃；
故答案为：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，当加入热水稀释、升温后，平衡正向移动，生成H₂TiO₃．
（5）利用生产过程中的废液与软锰矿（主要成分为MnO₂）反应生产硫酸锰（MnSO₄，易溶于水），利用二氧化锰的氧化性氧化亚铁离子为三价铁离子，反应的离子方程式为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（6）①用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，阳极发生氧化反应，阴极析出钙金属发生还原反应，阳极图示产物可可知，阳极生成二氧化碳气体，是电解质中的氧离子失电子生成氧气，氧气和阳极石墨反应生成的二氧化碳，所以电极反应为：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案为：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变；
或：制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：阴极：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 阳极：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO₂ Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变；
故答案为：制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变．
分析：（1）铁粉将Fe³⁺转化为Fe²⁺；
（2）溶液中析出晶体是利用物质溶解度的不同得到；
（3）②③④都是从溶液中得到固体的分离过程，需要用过滤装置；
（4）依据溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影响因素和平衡移动原理分析判断；
（5）废液主要是亚铁离子、氢离子和二氧化锰反应发生氧化还原反应生成锰离子和铁离子；
（6）①依据装置图分析判断，阳极生成二氧化碳气体，是电解质中的氧离子失电子生成氧气，氧气和阳极石墨反应生成的二氧化碳；
②制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：阴极：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 阳极：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变．
点评：本题考查了物质分离的流程分析判断，物质性质的应用，离子性质的应用，分离操作的方法，氧化还原反应的离子方程式的书写方法，电解池原理的应用，电极反应的书写原则．