Question

8．二氧化钛（TiO₂ ）是常用的、具有较高催化活性和稳定性的光催化剂，常用于污水处理．某工厂用古有Fe₂O₃ 的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃  ）为原料制备二氧化钛，其流程如图1：

（1）步骤①中，Fe₂O₃ 与H₂SO₄ 反应的离子方程式是Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）步骤②中，加Fe粉的作用是2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺（用离子方程式表示）；步骤③中，实现混合物的分离是利用物质的b（填标号）．
a熔沸点差异  b溶解性差异  c氧化性、还原性差异
（3）步骤④中，TiO₂⁺ 水解生成H₂TiO₃ 的离子方程式是TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺
（4）可利用生产过程中的废渣与软锰矿（主要成分MnO₂ ）反应生产硫酸锰，则反应的离子方程式为MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（5）利用如图2装置，石墨作阳极，钛网作阴极，熔融CaF₂-CaO 做电解质，可获得金属钙，钙再作为还原剂，可还原二氧化钛制备金属钛．
（6）工业上用4.0吨钛铁矿制得1.6吨的二氧化钛，则钛铁矿中钛元素的质量分数是24%．（假设生产过程中钛没有损失）

Answer 1

分析 用含有Fe₂O₃ 的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃ ）为原料制备二氧化钛：钛铁矿溶于酸生成亚铁离子和TiO²⁺，反应的离子方程式为：FeTiO₃+4H⁺=Fe²⁺+TiO²⁺+2H₂O，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⁺，步骤③利用的是物质溶解度的不同，通过冷却热饱和溶液，冷却结晶得到硫酸亚铁晶体，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．
（1）碱性氧化物和酸反应生成盐和水；
（2）金属铁可以和铁离子反应生成亚铁离子，结合电荷守恒、原子守恒配平写出离子方程式；根据物质溶解度分析析出晶体的条件应用；
（3）TiO²⁺发生水解生成钛酸（H₂TiO₃）沉淀，根据元素守恒写出反应的离子方程式；
（4）依据二氧化锰的氧化性氧化亚铁离子分析氧化还原反应生成二价锰的化合物，结合电荷守恒和原子守恒写出；
（5）依据图示生成物质的分析，阳极生成二氧化碳，阴极析出钙，结合电解池中阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，写出电极反应；根据电解槽中发生的反应：2CaO$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2Ca+O₂↑以及钙还原二氧化钛反应方程式：2Ca+TiO₂=Ti+2CaO来回答；
（6）根据钛原子守恒进行解答．

解答 解：（1）氧化铁和硫酸反应生成硫酸铁和水，离子方程式为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，
故答案为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）用铁粉将Fe³⁺转化为Fe²⁺的反应的离子方程式为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，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：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；b；
（3）TiO²⁺发生水解生成钛酸（H₂TiO₃）沉淀和氢离子，其离子方程式为：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，
故答案为：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺；
（4）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；
（5）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↑；
②阴极上电极反应式为：2Ca²⁺+4e^-═2Ca，阳极上电极反应为：2O^2--4e^-=O₂↑，电解槽中发生反应：2CaO$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2Ca+O₂↑，钙还原二氧化钛反应方程式为：2Ca+TiO₂=Ti+2CaO，在制备金属钛前后，整套装置中CaO的总量不变；
（6）如果取钛铁矿4t，生产出1.6吨的二氧化钛，其中钛元素的质量是1.6×$\frac{48}{80}$×100%=0.96t，所以钛铁矿中钛的质量分数$\frac{0.96}{4}$×100%=24%，
故答案为：24%．

点评 本题考查了二氧化钛的制备，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，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，注意相关知识的学习与积累，题目难度中等．