Question

4．钛及其合金具有密度小、强度高、耐酸、碱腐蚀等优良性能，被广泛用于航天、航空、航海、石油、化工、医药等部门．由钒钛磁铁矿经“选矿”得到的钛铁矿提取金属钛（海绵钛）的主要工艺过程如下：

（1）钛铁矿的主要成分为FeTiO₃．控制电炉熔炼温度（＜1500K），用等物质的量的碳还原出铁，而钛以二氧化钛的形式进入炉渣浮于熔融铁之上，使钛与铁分离，钛被富集．写出相关反应：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO．
（2）已知氯化反应过程中会产生一种无色可燃性气体，请写出在1073-1273K下氯化反应的化学方程式：2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄．
（3）氯化得到的TiCl₄中含有的VOCl₃必须用高效精馏的方法除去．实际生产中常在409K下用Cu还原VOCl₃，反应物的物质的量之比为1：1，生成氯化亚铜和难溶于TiCl₄的还原物，写出此反应方程式：Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂．
（4）TiCl₄的还原通常在800°C的条件下进行，反应过程中通入氩气的目的是防止Mg在高温下与空气中O₂、CO₂等反应，试写出从还原产物中分离出海绵钛的步骤①加入过量的稀盐酸②过滤③洗涤、干燥固体．
（5）电解法冶炼钛的一种生产工艺是将TiO₂与粉末与黏结剂混合后，压制成电解阴极板，用石墨作阳极，熔融氧化钙作电解质，电解过程中阳极生成O₂和CO₂气体，破碎洗涤阴极板即得到电解钛．试写出阴极反应方程式TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 钛铁矿在高温条件下被碳还原，得到生铁和高钛渣（TiO₂），高钛渣与碳、氯气高温条件下生成TiCl₄，TiCl₄用镁还原可知海绵钛，
（1）FeTiO₃高温下与等物质的量的碳还原出铁同时生成二氧化钛根据元素守恒和电子得失守恒书写化学方程式；
（2）氯化反应是碳、氯气与二氧化钛的反应，根据元素守恒可知，过程中会产生一种无色可燃性气体应为CO，据此书写化学方程式；
（3）在409K下用Cu还原VOCl₃，反应物的物质的量之比为1：1，生成氯化亚铜和难溶于TiCl₄的还原物应为VOCl₂，据此书写反应方程式；
（4）用Mg还原TiCl₄制金属钛取过程中必须在1070K的温度下进行，而在此温度下镁、钛都会与氧气反应；金属钛中混有少量杂质镁，由题给信息知钛的化学活性很小，仅能与氧气等几种物质起反应，而与稀盐酸或稀硫酸等不反应，据此答题；
（5）电解时，阴极发生还原反应生成Ti，电极方程式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，阳极发生氧化反应，电极方程式为2O^2-+4e^-=O₂，阳极生成O₂，由于阳极材料为石墨，则氧气和石墨反应可生成CO₂等，据此答题．

解答 解：钛铁矿在高温条件下被碳还原，得到生铁和高钛渣（TiO₂），高钛渣与碳、氯气高温条件下生成TiCl₄，TiCl₄用镁还原可知海绵钛，
（1）FeTiO₃高温下与等物质的量的碳还原出铁同时生成二氧化钛，反应的化学方程式为FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO，
故答案为：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO；
（2）氯化反应是碳、氯气与二氧化钛的反应，根据元素守恒可知，过程中会产生一种无色可燃性气体应为CO，反应的化学方程式为2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄，
故答案为：2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄；
（3）在409K下用Cu还原VOCl₃，反应物的物质的量之比为1：1，生成氯化亚铜和难溶于TiCl₄的还原物应为VOCl₂，反应的化学方程式为Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂，
故答案为：Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂；
（4）用Mg还原TiCl₄制金属钛取过程中必须在1070K的温度下进行，而在此温度下镁、钛都会与氧气反应，所以反应过程中通入氩气的目的是防止Mg在高温下与空气中O₂、CO₂等反应，金属钛中混有少量杂质镁，由题给信息知钛的化学活性很小，仅能与氧气等几种物质起反应，而与稀盐酸或稀硫酸等不反应，所以实验操作为①加入过量的稀盐酸②过滤③洗涤、干燥固体，
故答案为：防止Mg在高温下与空气中O₂、CO₂等反应；①加入过量的稀盐酸②过滤③洗涤、干燥固体；
（5）电解时，阴极发生还原反应生成Ti，电极方程式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，阳极发生氧化反应，电极方程式为2O^2-+4e^-=O₂，阳极生成O₂，由于阳极材料为石墨，则氧气和石墨反应可生成CO₂等，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

点评 本题考查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．