Question

12．钛合金是航天航空工业的重要材料．由钛铁矿（主要成分是TiO₂和Fe的氧化物）制备TiO₂等产品的一种工艺流程示意如图1：

已知：①TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中②TiCl₄的熔点-25.0℃，沸点136.4℃；SiCl₄的熔点-68.8℃，沸点57.6℃
回答下列问题：
（1）写出钛铁矿酸浸时，主要成分TiO₂反应的离子方程式TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入铁屑的作用是使Fe³⁺还原为Fe²⁺．
（2）操作Ⅱ包含的具体操作方法有蒸发浓缩，冷却结晶，过滤（洗涤）．
（3）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固体TiO₂•nH₂O，请用恰当的原理和化学用语解释其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），促进水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移动，废液中溶质的主要成分是Na₂SO₄（填化学式）．
（4）用金红石（主要含TiO₂）为原料，采用亨特（Hunter）法生产钛的流程如图2：写出沸腾氯化炉中发生反应的化学方程式TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的TiCl₄液体中常含有少量SiCl₄杂质，可采用蒸馏（或分馏）方法除去．
（5）TiO₂直接电解法生产金属钛是一种较先进的方法，电解液为某种可以传导O^2-离子的熔融盐，原理如图3所示，则其阴极电极反应为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，电解过程中阳极电极上会有气体生成，该气体可能含有O₂、CO、CO₂．

Answer 1

分析 钛铁矿中加入稀硫酸，经充分反应后过滤，所得滤液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，从溶液中得到硫酸亚铁晶体，应经过蒸发浓缩、冷却结晶，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，以此解答该题．

解答 解：钛铁矿中加入稀硫酸，经充分反应后过滤，所得滤液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，从溶液中得到硫酸亚铁晶体，应经过蒸发浓缩、冷却结晶，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
（1）由题给反应流程可知TiO₂与酸反应生成TiO²⁺，则反应的离子方程式为TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入铁屑，可得到硫酸亚铁晶体，说明加入铁屑的作用是使Fe³⁺还原为Fe²⁺，
故答案为：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；使Fe³⁺还原为Fe²⁺；
（2）从溶液中得到硫酸亚铁晶体，应经过蒸发浓缩、冷却结晶，过滤等操作，有时需要洗涤晶体，以除去表面吸附的离子，
故答案为：蒸发浓缩，冷却结晶，过滤（洗涤）；
（3）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，在整个制备流程中分别加入硫酸和碳酸钠，则废液中主要含有硫酸钠，即Na₂SO₄，
故答案为：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），促进水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移动；Na₂SO₄；
（4）由反应流程可知TiO₂、C和Cl₂反应生成TiCl₄和CO，则反应的化学方程式为TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的TiCl₄液体中常含有少量SiCl₄杂质，因二者的沸点不同，可用蒸馏的方法分离，
故答案为：TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；蒸馏（或分馏）；
（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CO、CO₂等，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；O₂、CO、CO₂．

点评 本题考查物质的制备、为高考常见题型，侧重于学生的分析能力、实验能力的考查，注意把握实验的原理和目的，为解答该类题目的关键，注意物质的性质，结合题给信息解答，难度中等．