Question

4．工业上生产金属钛的方法很多．以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛，生产的工艺流程图如图1，其中钛铁矿与浓硫酸发生反应的化学方程式为：

 回答下列问题：
（1）钛铁矿和浓硫酸反应属于非氧化还原反应 （选填“氧化还原反应”或“非氧化还原反应”）．
（2）上述生产流程中加入物质A的目的是防止Fe²⁺被氧化，物质A是Fe，上述制备TiO₂的过程中，所得到的副产物和可回收利用的物质分别是绿矾、硫酸．
离子交换膜
（3）反应TiCl₄+2Mg═2MgCl₂+Ti在Ar气氛中进行的理由是防止高温下Mg和Ti与空气中的氧气（或氮气、二氧化碳）作用．
（4）由二氧化钛制取四氯化钛所涉及的反应有：
TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）═TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁═-72kJ•mol^-1
TiO₂（s）+2Cl₂ （g）═TiCl₄（g）+O₂ （g）△H₂═+38.8kJ•mol^-1
C（s）+CO₂（g）═2CO（g）?△H₃═+282.8kJ•mol^-1
反应C（s）+O₂（g）═CO₂ （g）的△H═-393.6 kJ/mol．
（5）研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，利用图2所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂，还原二氧化钛制备金属钛．写出阳极所发生反应的电极反应式：2O^2--4e^-=O₂↑或C+2O^2--4e^-=CO₂↑，不需要（“需要”或“或不需要”）定期补充电解质．

Answer 1

分析 以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛，钛铁矿石加入浓硫酸，钛铁矿与浓硫酸发生反应的化学方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，加入水溶解后加入铁防止亚铁离子被氧化，沉降分离得到溶液Ⅰ，冷却结晶得到硫酸亚铁晶体，过滤得到溶液Ⅱ为TiOSO₄，加热过滤得到滤液为硫酸，沉淀为钛酸，煅烧得到二氧化钛，加入氯气和焦炭高温反应，由二氧化钛制取四氯化钛，加入镁反应在Ar气氛中进行，发生的反应为；TiCl₄+2Mg═2MgCl₂+Ti．
（1）根据氧化还原反应中元素的化合价发生变化进行判断；
（2）亚铁离子易被氧化为铁离子，加入金属铁可以防护被氧化，根据流程确定所得到的副产物和可回收利用的物质；
（3）Mg和Ti都有较强还原性，在高温下都易被空气中的O₂氧化，镁和氮气二氧化碳都反应；
（4）已知反应a、TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ•mol^-1
b、TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ•mol^-1
c、C（s）+CO₂（g）=2CO（g）?△H₃=+282.8kJ•mol^-1，
利用盖斯定律将a-b-c可得反应C（s）+O₂（g）=CO₂ （g）的△H；
（5）依据装置图分析判断，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；制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变．

解答 解：以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛，钛铁矿石加入浓硫酸，钛铁矿与浓硫酸发生反应的化学方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，加入水溶解后加入铁防止亚铁离子被氧化，沉降分离得到溶液Ⅰ，冷却结晶得到硫酸亚铁晶体，过滤得到溶液Ⅱ为TiOSO₄，加热过滤得到滤液为硫酸，沉淀为钛酸，煅烧得到二氧化钛，加入氯气和焦炭高温反应，由二氧化钛制取四氯化钛，加入镁反应在Ar气氛中进行，发生的反应为；TiCl₄+2Mg═2MgCl₂+Ti．
（1）钛酸亚铁的化学式为FeTiO₃，其中铁元素的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，钛的化合价为+4价，钛铁矿和浓硫酸反应后，TiOSO₄中钛的化合价为+4价，硫为+6价，氧元素的化合价为-2价，FeSO₄中铁元素的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，无化合价的变化，是非氧化还原反应，
故答案为：非氧化还原反应；
（2）亚铁离子易被氧化为铁离子，加入金属铁可以防护被氧化，所以A是金属铁，根据流程，所得到的副产物是绿矾，可回收利用的物质是硫酸，
故答案为：Fe；绿矾；硫酸；
（3）Mg和Ti都有较强还原性，在高温下都易被空气中的O₂氧化，镁和二氧化碳反应生成氧化镁和碳，镁和氮气反应生成氮化镁，所以反应TiCl₄+2Mg=2MgCl₂+Ti需在Ar气氛中进行，
故答案为：防止高温下Mg和Ti与空气中的氧气（或氮气、二氧化碳）作用；
（4）已知反应a、TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ•mol^-1
b、TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ•mol^-1
c、C（s）+CO₂（g）=2CO（g）?△H₃=+282.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，反应C（s）+O₂（g）=CO₂（g）可以看成是a-b-c获得，所以该化学反应的焓变△H=-72kJ•mol^-1-282.8kJ•mol^-1-38.8kJ•mol^-1=-393.6 kJ/mol，
故答案为：-393.6 kJ/mol；
（5）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↑，制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变，所以不需要定期补充电解质；
故答案为：2O^2--4e^-=O₂↑或C+2O^2--4e^-=CO₂↑，不需要．

点评 本题以流程题的形式综合考查元素化合物的性质知识，为高考常见题型，涉及物质性质的应用，离子性质的应用，分离操作的方法，电解池原理的应用，电极反应的书写原则等，要求学生具有分析和解决问题的能力，有利于培养学生的良好的科学素养，题目难度中等．