Question

TiO₂俗称钛白粉，用途广泛，现正广泛开发，将来有机会成为新工业．工业上利用TiO₂制备金属钛的流程如下．

已知：Ⅰ：
Ti（s）+O₂（g）=TiO₂（s）△H=-946kJ?mol^-1
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ?mol^-1
Ti（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）△H=-815kJ?mol^-1
Ⅱ：某温度下各物质的沸点如下：

物质	TiCl4	FeCl3	SiCl4	AlCl3
沸点/℃	136	310	56.5	180

回答下列问题：
（1）在氯化工序中发生反应：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）．试计算其反应的△H=

 

 kJ?mol^-1；反应的平衡常数表达式K=

 

，在图中作出TiCl₄达到平衡后百分含量随温度的变化趋势图．
（2）氯化过程中带入的副产物有FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃，可用

 

方法获得较纯净的TiCl₄．
（3）TiO₂与Cl₂反应：TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+151kJ?mol^-1．该反应在高温条件下但难以发生，但加入碳后反应能顺利进行，试解析上述原因

 

（4）还原工序要在惰性气体的气氛中进行的理由是

 

．
（5）制取Ti的新工艺是用二氧化钛作阴极，以石墨为阳极，以CaCl₂熔盐做电解质（在熔融状态下能传导O^2-），电解而得到Ti，该工艺具有操作简单，成本低，无污染等优点，写出电解制备金属钛时阴极的电极反应式：

 

．

Answer 1

考点：制备实验方案的设计,常见化学电源的种类及其工作原理,化学平衡的计算

专题：实验设计题,基本概念与基本理论

分析：（1）根据盖斯定律结合已知热化学方程式计算出目标热化学方程式的焓变；根据化学平衡常数的概念写出反应TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）的平衡常数表达式；该反应为放热反应，根据温度对该可逆反应的影响作出TiCl₄达到平衡后百分含量随温度的变化趋势图；
（2）根据表中沸点数据可知，TiCl₄与FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃的沸点相差较大，可以通过蒸馏方法除去杂质；
（3）C能够与氧气反应，根据生成物浓度对化学平衡的影响分析；
（4）根据温度较高时钛、钠能够与空气中氧气反应进行解答；
（5）电解池中阴极发生还原反应，则阴极二氧化钛中钛离子得到电子生成金属钛和氧离子，据此写出电极反应式．

解答： 解：（1）①Ti（s）+O₂（g）=TiO₂（s）△H=-946kJ?mol^-1
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ?mol^-1
③Ti（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）△H=-815kJ?mol^-1
根据盖斯定律，③+②-①可得：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）△H=-815kJ?mol^-1+（-221kJ?mol^-1）-（946kJ?mol^-1）=-90kJ?mol^-1；
反应TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）?TiCl₄（g）+2CO （g）的平衡常数为：K=

c(TiCl4)?c2(CO)

c2(Cl2)

；
该反应为放热反应，随着温度的升高，化学平衡向着逆向移动，则平衡常数逐渐减小，则TiCl₄达到平衡后百分含量随温度的变化趋势图为：，
故答案为：-90；

c(TiCl4)?c2(CO)

c2(Cl2)

；；
（2）粗TiCl₄固体加热易气化，由表中数据可知，TiCl₄固体与含有的杂质的沸点相差较大，可以通过蒸馏的方法分离，
故答案为：蒸馏（分馏）；
（3）反应中TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（l）+O₂（g）加入碳后，碳与氧气反应，导致生成物浓度减小，平衡向着正向移动，
故答案为：降低生成物O₂浓度，平衡向正方向移动；
（4）金属钠、钛能够与空气中氧气反应，为了防止高温下Na（Ti）与空气中的O₂反应，所以还原工序要在惰性气体的气氛中进行，
故答案为：防止高温下Na（Ti）与空气中的O₂作用；
（5）制取Ti的新工艺是用二氧化钛作阴极，以石墨为阳极，以CaCl₂熔盐做电解质（在熔融状态下能传导O^2-），电解而得到Ti，电解池中阳极氯离子失去电子生成氯气，阴极TiO₂中钛离子得到电子生成金属Ti和O^2-，阴极电极反应式为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

点评：本题通过工业上利用TiO₂制备金属钛的流程，考查了物质的制备实验方案的设计，侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，为高考常见题型，难度中等，注意把握实验的基本原理和物质的性质．