Question

9．金屬鈦易于和肌肉長(zhǎng)在一起，可用于制造各種人造關(guān)節(jié)，因此被稱為“生物金屬”．工業(yè)上由鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制備鈦的工藝流程如下：

（1）進(jìn)行步驟Ⅰ前，鈦鐵礦需要先粉碎成細(xì)顆粒，目的為增大反應(yīng)速率．
（2）步驟Ⅰ中所發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeTiO₃+C $\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO↑．
（3）將步驟Ⅱ中所發(fā)生的主要反應(yīng)記為反應(yīng)①，則①的化學(xué)方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；有同學(xué)認(rèn)為步驟Ⅱ中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化中只需通入氯氣，而無(wú)需加入焦炭就能實(shí)現(xiàn)，即發(fā)生反應(yīng)②：TiO₂+2Cl₂   TiCl₄+O₂．已知相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

反應(yīng)	△H/kJ•mol-1	△S/J•K-1•mol-1
①	-72.1	+220
②	+149	+41

結(jié)合上表數(shù)據(jù)，從反應(yīng)進(jìn)行的方向角度分析加入焦炭的必要性加入焦炭后發(fā)生反應(yīng)①，與反應(yīng)②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應(yīng)在較低溫度下向右進(jìn)行．
（4）步驟Ⅲ中，反應(yīng)物TiCl₄應(yīng)避免接觸水，原因?yàn)榉乐筎iCl₄水解；反應(yīng)結(jié)束后，用鹽酸洗滌粗Ti，除去Mg、MgCl₂（填化學(xué)式），即可制得海綿鈦．
（5）鈦鐵礦轉(zhuǎn)化為粗TiO₂也可以通過濕法完成：先用濃H₂SO₄溶解，將鈦鐵礦轉(zhuǎn)化為TiO²⁺，然后使其水解得到粗TiO₂．用酸清洗可除去粗TiO₂中的Fe（OH）₃雜質(zhì)，已知25℃時(shí)，Ksp[Fe（OH）₃]=2.79×10^-39，則該溫度下，F(xiàn)e（OH）₃（s）+3H⁺（aq）?Fe³⁺（aq）+3H₂O（1）的平衡常數(shù)K=2.79×10³．
（6）金屬鈦還可以通過電解直接獲得．以石墨為陽(yáng)極，TiO₂為陰極，熔融CaO為電解質(zhì)，其陰極的電極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制備鈦，鈦鐵礦加入過量焦炭在高溫下還原生成鐵和粗TiO₂，加入過量焦炭在高溫下氯化反應(yīng)生成TiCl₄，加入還原劑還原生成金屬鈦，酸洗后得到海綿鈦；
（1）增大接觸面積加快反應(yīng)速率；
（2）步驟Ⅰ中所發(fā)生的主要反應(yīng)是FeTiO₃在高溫下被碳還原生成二氧化鈦、鐵，碳被氧化為一氧化碳；
（3）步驟Ⅱ中所發(fā)生的主要反應(yīng)是二氧化鈦和氯氣、碳高溫發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成四氯化鈦和一氧化碳，加入焦炭后發(fā)生反應(yīng)①，與反應(yīng)②相比，△H減小，△S增大；
（4）TiCl₄遇到水易發(fā)生水解，用鹽酸洗滌粗Ti，除去表面的雜質(zhì)；
（5）依據(jù)平衡常數(shù)的概念結(jié)合反應(yīng)寫出計(jì)算式計(jì)算平衡濃度得到；
（6）電解池的陰極上得電子反應(yīng)還原反應(yīng)生成金屬鈦．

解答 解：鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制備鈦，鈦鐵礦加入過量焦炭在高溫下還原生成鐵和粗TiO₂，加入過量焦炭在高溫下氯化反應(yīng)生成TiCl₄，加入還原劑還原生成金屬鈦，酸洗后得到海綿鈦；
（1）進(jìn)行步驟Ⅰ前，鈦鐵礦需要先粉碎成細(xì)顆粒，目的為增大接觸面積增大反應(yīng)速率，故答案為：增大反應(yīng)速率；
（2）步驟Ⅰ中所發(fā)生的主要反應(yīng)是FeTiO₃在高溫下被碳還原生成二氧化鈦、鐵，碳被氧化為一氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO₂+CO↑；
故答案為：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO₂+CO↑；
（3）步驟Ⅱ中所發(fā)生的主要反應(yīng)是二氧化鈦和氯氣、碳高溫發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成四氯化鈦和一氧化碳，①的化學(xué)方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，圖表數(shù)據(jù)分析可知加入焦炭后發(fā)生反應(yīng)①，與反應(yīng)②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應(yīng)在較低溫度下向右進(jìn)行，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO；加入焦炭后發(fā)生反應(yīng)①，與反應(yīng)②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應(yīng)在較低溫度下向右進(jìn)行；
（4）步驟Ⅲ中，反應(yīng)物TiCl₄應(yīng)避免接觸水，原因?yàn)榉乐筎iCl₄水解，反應(yīng)結(jié)束后，用鹽酸洗滌粗Ti，除去Mg、MgCl₂等雜質(zhì)，制得海綿鈦，
故答案為：防止TiCl₄水解；Mg、MgCl₂；
（5）K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=2.79×10^-39，反應(yīng)Fe （OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+H₂O的平衡常數(shù)K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{（\frac{1{0}^{-14}}{c（O{H}^{-}）}）^{3}}$=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）×10⁴²=2.79×10^-39×10⁴²=2.79×10³，故答案為：2.79×10³；
（6）電解時(shí)，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽(yáng)極上是氧離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，電極反應(yīng)為2O^2--4e^-=O₂，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生閱讀題目獲取信息能力、氧化還原反應(yīng)、綠色化學(xué)、膠體、物質(zhì)分離提純，平衡常數(shù)計(jì)算，溶度積常數(shù)的計(jì)算應(yīng)用，蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用等，難度中等，注意基礎(chǔ)知識(shí)的掌握利用．