Question

8．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）写出钛元素在周期表中的位置第四周期IVB族．
净化钛矿石时，是否需要除去杂质FeO？不需要（填“需要”或“不需要”）
（2）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．
（3）④中加入的X可能是A
A．H₂O₂     B．KMnO₄      C．KOH       D．SO₂
（4）④⑤两步的目的是除去亚铁离子．
（5）写出⑥的化学反应方程式TiOSO₄+2H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄．
II、TiO₂可通过下述两种方法制备金属钛：方法一是电解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CaCl₂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．
方法二是先将TiO₂与Cl₂、C反应得到TiCl₄，再用镁还原得到Ti．因下述反应难于发生：
TiO₂ （s）+2Cl₂ （g）?TiCl₄（1）+O₂ （g）△H=+151kJ/mol
所以不能直接由TiO₂和Cl₂反应（即氯化反应）来制取TiCl₄．请从反应原理角度说明该反应难进行的原因该反应的△H＞0，△S＜0，反应难自发进行．

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）根据其价电子数及能层数确定在元素周期表中的位置，Ti元素核外有22个电子，根据构造原理书写其基态原子核外电子排布式；氧化亚铁和硫酸反应生成硫酸亚铁，不需要除去杂质FeO；
（2）两性氧化物是氧化铝，和NaOH溶液反应生成盐和水；
（3）④X应该具有强氧化性，且不能引进杂质；
（4）④⑤两步的目的是除去亚铁离子；
（5）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂•2H₂O；
（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；用△H-T△S来判断反应能否发生．

解答 解：（1）Ti元素核外有22个电子，根据构造原理知其基态原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²（或[Ar]3d²4s²），该元素的能层数为4、价电子数为4，所以钛元素位于第四周期第IVB族，氧化亚铁和硫酸反应生成硫酸亚铁，所以净化钛矿石时，不需要除去杂质FeO，
故答案为：第四周期IVB族；不需要；
（2）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；
（3）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，所以故选A；
故答案为：A；
（4）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；
（5）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；
（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，TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（1）+O₂（g）△H=+151kJ/mol该反应中，反应物有2mol气体，生成物只有1mol气体，△S＜0，又△H＞0，则△H-T△S＞0，故反应不能自发进行，
故答案为：碳单质会与阳极产生的氧气反应而不断减少；该反应的△H＞0，△S＜0，反应难自发进行．

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、反应的方向判断等知识点，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，题目难度中等．