Question

8．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．）主要流程如图1：
（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图2：
（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．
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．
（4）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，原理如图3所示 该方法阴极获得钛的电极反应为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
（5）阳极产生的CO₂经常用氢氧化钠溶液来吸收，现有0.4mol CO₂用200ml 3mol/L的NaOH溶液将其完全吸收，溶液中的离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

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；
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；根据二氧化碳和氢氧化钠之间反应量的关系：按照1：1反应，产物是碳酸氢钠，按照1：2反应，产物是碳酸钠来分析回答．

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；
Ⅲ．（4）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-；
III．（4）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-；
（5）根据二氧化碳和氢氧化钠之间反应量的关系：按照1：1反应，产物是碳酸氢钠，按照1：2反应，产物是碳酸钠，0.4molCO₂和200mL 3mol/L NaOH溶液混合，二者的物质的量之比是2：3，所的溶液是碳酸钠和碳酸氢钠的混合物，混合物显碱性c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根离子水解程度大与碳酸氢根离子的水解程度，所以c（CO₃^2-）＜c（HCO₃^-），即c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

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、离子浓度大小比较、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．