Question

18．钛是继铁、铝后的第三金属，二氧化钛广泛应用于各类结构表面涂料、纸张涂层等，二氧化钛还可作为制备钛单质的原料．
Ⅰ．用钛铁矿制取二氧化钛，（钛铁矿主要成分为FeTiO₃，其中Ti元素化合价为+4价，含有Fe₂O₃杂质．）主要流程如下：

（1）Fe₂O₃与H₂SO₄反应的离子方程式Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）加Fe的作用是将Fe³⁺还原为Fe²⁺．

Ⅱ．由金红石（含TiO₂大于96%）为原料生产钛的流程如下：
（3）反应②的方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氩气}$4NaCl+Ti，该反应需要在Ar气氛中进行的原因是防止高温下Na（Ti）与空气中的O₂（或N₂、CO₂）作用．
（4）海棉钛通常需要经过真空电弧炉里熔炼提纯，也可通过碘提纯法，原理为：
Ti（s）+2I₂（g）$?_{约1250℃}^{400℃}$TiI₄（g）下列说法正确的是（d）．
（a） 该反应的△H＞0               
（b） 在不同温度区域，TiI₄的量保持不变
（c） 在提纯过程中，I₂的量不断减少
（d） 在提纯过程中，I₂的作用是将粗钛从低温区转移到高温区
Ⅲ．科学家从电解冶炼铝的工艺得到启发，找出了冶炼钛的新工艺．

（5）TiO₂直接电解法生产钛是一种较先进的方法，电解质为熔融的氧化钙，原理如右图所示 该方法阴极获得钛的电极反应为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
（6）在上述方法的基础上发明了一种更加绿色环保的技术，阳极改用金属陶瓷，并在阳极通入某种常见的还原性气体单质，则生成无污染的电极产物．通入的气体是H₂．

Answer 1

分析 I．钛铁矿用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉将Fe³⁺还原为Fe²⁺，过滤除去不溶物，滤液冷却结晶析出硫酸亚铁晶体，过滤分离，滤液中经过系列转化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃与H₂SO₄反应生成硫酸铁与水；
（2）加入Fe粉将Fe³⁺还原为Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃时、氩气环境下，Na与四氯化钛发生置换反应；高温时，Na、Ti易与空气中的氧气等发生反应；
（4）（a）较低温度下有利于反应正向进行，高温下有利于反应逆向进行，说明正反应为放热反应；
（b） 高于400℃，钛和碘反应生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解；
（c）400℃时碘和钛反应生成四氯化钛，在1250℃四氯化钛分解生成碘和钛，I₂循环利用；
（d）低温得到TiI₄（g），高温下TiI₄（g）分解得到Ti（s）与I₂（g），在提纯过程中，I₂的作用是将粗钛从低温区转移到高温区．
Ⅲ．TiO₂直接电解法生产钛，发生还原反应，二氧化钛为阴极，连接电源负极，由示意图可知二氧化钛获得电子生成Ti与氧离子；石墨为阳极，阳极发生氧化反应，氧离子在阳极获得电子生成氧气，会与石墨反应生成CO等有毒气体，石墨改为某金属陶瓷电极并通入一种还原性气体，反应后的生成物没有污染，可以是生成水．

解答 解：I．钛铁矿用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉将Fe³⁺还原为Fe²⁺，过滤除去不溶物，滤液冷却结晶析出硫酸亚铁晶体，过滤分离，滤液中经过系列转化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃与H₂SO₄反应生成硫酸铁与水，反应离子方程式为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，故答案为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）加Fe的作用是：将Fe³⁺还原为Fe²⁺，故答案为：将Fe³⁺还原为Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃时、氩气环境下，Na与四氯化钛发生置换反应，反应方程式为：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氩气}$4NaCl+Ti，高温时，Na、Ti易与空气中的氧气等发生反应，所以该反应需要在Ar气氛中进行，
故答案为：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氩气}$4NaCl+Ti；防止高温下Na（Ti）与空气中的O₂（或N₂、CO₂）作用；
（4）（a）较低温度下有利于反应正向进行，高温下有利于反应逆向进行，说明正反应为放热反应，则该反应正反应的△H＜0，故错误；
（b）高于400℃，钛和碘反应生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解，故B错误；
（c）400℃时碘和钛反应生成四氯化钛，在1250℃四氯化钛分解生成碘和钛，I₂循环利用，I₂的量不变，故错误；
（d）在提纯过程中，高于400℃，钛和碘反应生成TiI₄，大于1250℃TiI₄分解，所以I₂的作用是将粗钛从低温区转移到高温区，故正确；
故选：（d）；
Ⅲ．（5）TiO₂直接电解法生产钛，发生还原反应，二氧化钛为阴极，连接电源负极，由示意图可知二氧化钛获得电子生成Ti与氧离子，阴极电极反应式为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）石墨为阳极，阳极发生氧化反应，氧离子在阳极获得电子生成氧气，会与石墨反应生成CO等有毒气体，石墨改为某金属陶瓷电极并通入一种还原性气体，反应后的生成物没有污染，可以是生成水，所以该气体是氢气，
故答案为：H₂；
（c） 在提纯过程中，高于400℃，碘和钛反应生成四氯化钛，在1250℃四氯化钛分解生成碘和钛，所以I₂的量不变，故错误；
（d） 在提纯过程中，高于400℃，碘和钛反应生成四氯化钛，在1250℃四氯化钛分解生成碘和钛，所以I₂的作用是将粗钛从低温区转移到高温区，故正确；
故答案为：d；
III．（5）电解时，阴极上得电子发生还原反应，所以二氧化钛得电子生成钛和氧离子，和电源负极相连，电极反应式为TiO₂+4e-=Ti+2O^2-；
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）阴极上加入的物质应该具有还原性且是气体，反应后的生成物没有污染，水没有污染，所以该气体是氢气，故答案为：H₂．

点评 本题以金属的冶炼为载体，考查化学工艺流程、电解原理、化学平衡移动、信息获取等问题，有利于培养学生分析解决问题能力、信息获取与知识移运用，难度中等．