Question

8．TiO₂在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有重要用途．
I、工業(yè)上用鈦鐵礦石（FeTiO₃，含F(xiàn)eO、Al₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）經(jīng)過(guò)下述反應(yīng)制得：

其中，步驟③發(fā)生的反應(yīng)為：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（1）寫(xiě)出鈦元素在周期表中的位置第四周期IVB族．
凈化鈦礦石時(shí)，是否需要除去雜質(zhì)FeO？不需要（填“需要”或“不需要”）
（2）凈化鈦礦石時(shí)，需用濃氫氧化鈉溶液來(lái)處理，寫(xiě)出該過(guò)程中兩性氧化物發(fā)生反應(yīng)的離子反應(yīng)方程式：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O．
（3）④中加入的X可能是A
A．H₂O₂     B．KMnO₄      C．KOH       D．SO₂
（4）④⑤兩步的目的是除去亞鐵離子．
（5）寫(xiě)出⑥的化學(xué)反應(yīng)方程式TiOSO₄+2H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄．
II、TiO₂可通過(guò)下述兩種方法制備金屬鈦：方法一是電解TiO₂來(lái)獲得Ti（同時(shí)產(chǎn)生O₂）：
將處理過(guò)的TiO₂作陰極，石墨為陽(yáng)極，熔融CaCl₂為電解液，用碳?jí)K作電解槽池．
（6）陰極反應(yīng)的電極反應(yīng)式為T(mén)iO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）．
（7）電解過(guò)程中需定期向電解槽池中加入碳?jí)K的原因是碳單質(zhì)會(huì)與陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣反應(yīng)而不斷減少．
方法二是先將TiO₂與Cl₂、C反應(yīng)得到TiCl₄，再用鎂還原得到Ti．因下述反應(yīng)難于發(fā)生：
TiO₂ （s）+2Cl₂ （g）?TiCl₄（1）+O₂ （g）△H=+151kJ/mol
所以不能直接由TiO₂和Cl₂反應(yīng)（即氯化反應(yīng)）來(lái)制取TiCl₄．請(qǐng)從反應(yīng)原理角度說(shuō)明該反應(yīng)難進(jìn)行的原因該反應(yīng)的△H＞0，△S＜0，反應(yīng)難自發(fā)進(jìn)行．

Answer 1

分析 鈦鐵礦石粉碎、凈化，凈化時(shí)加入濃NaOH溶液，發(fā)生的反應(yīng)為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O；然后向鈦鐵礦石中加入過(guò)量80%硫酸并加熱至343K-353K，發(fā)生反應(yīng)2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，F(xiàn)eO和硫酸反應(yīng)生成FeSO₄，加入X并調(diào)節(jié)溶液的pH得到沉淀和TiO²⁺、SO₄^2-，說(shuō)明加入X后將亞鐵離子氧化為鐵離子然后調(diào)節(jié)溶液pH值將鐵離子沉淀，然后將TiO²⁺、SO₄^2-加熱、過(guò)濾得到TiO₂.2H₂O，焙燒得到TiO₂．
（1）根據(jù)其價(jià)電子數(shù)及能層數(shù)確定在元素周期表中的位置，Ti元素核外有22個(gè)電子，根據(jù)構(gòu)造原理書(shū)寫(xiě)其基態(tài)原子核外電子排布式；氧化亞鐵和硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵，不需要除去雜質(zhì)FeO；
（2）兩性氧化物是氧化鋁，和NaOH溶液反應(yīng)生成鹽和水；
（3）④X應(yīng)該具有強(qiáng)氧化性，且不能引進(jìn)雜質(zhì)；
（4）④⑤兩步的目的是除去亞鐵離子；
（5）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂•2H₂O；
（6）陰極上得電子反應(yīng)還原反應(yīng)生成金屬鈦；
（7）陽(yáng)極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應(yīng)生成二氧化碳；用△H-T△S來(lái)判斷反應(yīng)能否發(fā)生．

解答 解：（1）Ti元素核外有22個(gè)電子，根據(jù)構(gòu)造原理知其基態(tài)原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²（或[Ar]3d²4s²），該元素的能層數(shù)為4、價(jià)電子數(shù)為4，所以鈦元素位于第四周期第IVB族，氧化亞鐵和硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵，所以?xún)艋�鈦礦石時(shí)，不需要除去雜質(zhì)FeO，
故答案為：第四周期IVB族；不需要；
（2）兩性氧化物是氧化鋁，和NaOH溶液反應(yīng)生成鹽和水，離子反應(yīng)方程式為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，
故答案為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（3）④X應(yīng)該具有強(qiáng)氧化性，且不能引進(jìn)雜質(zhì)，具有氧化性的是雙氧水和高錳酸鉀溶液，但高錳酸鉀溶液氧化亞鐵離子時(shí)引進(jìn)新的雜質(zhì)，所以故選A；
故答案為：A；
（4）④⑤兩步的目的是除去亞鐵離子，防止制得的二氧化鈦中含有雜質(zhì)，
故答案為：除去亞鐵離子；
（5）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂.2H₂O，反應(yīng)方程式為T(mén)iOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄，
故答案為：TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄；
（6）陰極上得電子反應(yīng)還原反應(yīng)生成金屬鈦，電極反應(yīng)式為T(mén)iO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti），
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）；
（7）陽(yáng)極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應(yīng)生成二氧化碳，所以需要定期補(bǔ)充碳，TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（1）+O₂（g）△H=+151kJ/mol該反應(yīng)中，反應(yīng)物有2mol氣體，生成物只有1mol氣體，△S＜0，又△H＞0，則△H-T△S＞0，故反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：碳單質(zhì)會(huì)與陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣反應(yīng)而不斷減少；該反應(yīng)的△H＞0，△S＜0，反應(yīng)難自發(fā)進(jìn)行．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的分離提純和制備，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)化學(xué)工藝流程的理解、分析、判斷及對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，涉及除雜、氧化還原反應(yīng)、電解原理、反應(yīng)的方向判斷等知識(shí)點(diǎn)，明確化學(xué)反應(yīng)原理、元素化合物性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，易錯(cuò)點(diǎn)是（6）題電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，題目難度中等．