Question

16．二十一世紀鈦將成為鐵、鋁之后的第三大金屬，工業上以鈦鐵礦為原料制備二氧化鈦及鈦的工藝流程如圖1所示，鈦鐵礦的主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），其中一部分鐵元素在風化過程中會轉化為+3價，FeTiO₃溶于酸后Ti元素以TiO²⁺存在，TiOSO₄遇水可水解．

請根據以上信息回答下列問題：
（1）②中加入鐵粉的目的是除去Fe³⁺；
（2）③中混合物分離的依據是b（填字母序號）．
a．熔、沸點差異     b．溶解性差異     c．氧化性、還原性差異
（3）②、③、④中均需要進行的操作是過濾（填操作名稱）．
（4）寫出④的離子方程式：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺；該過程在熱水中操作的目的是由于水解反應吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應方向移動，提高H₂TiO₃的產率
（5）利用生產過程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應可生產硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），該反應的離子方程式為MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（6）科學家從電解冶煉鋁的工藝得到啟發．找出了冶煉鈦的新工藝．
①直接電解固體TiO₂法生產鈦，原理如圖所示，則陰極獲得鈦的電極反應為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
②電解一段時間后，需要更換石墨電極，原因是氧離子在陽極失電子發生氧化反應生成氧氣，碳和氧氣發生反應生成一氧化碳，O^2--2e^-+C=CO．

Answer 1

分析 鈦鐵礦的主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），FeTiO₃溶于硫酸后Ti元素以TiO²⁺存在，過濾得到溶液1，溶液1中加入鐵粉還原鐵離子生成亞鐵離子過濾得到溶液2中含有TiO²⁺，FeSO₄，冷卻結晶過濾得到硫酸亞鐵晶體和濾液3，在熱水中加熱析出沉淀H₂TiO₃，煅燒得到TiO₂，電解TiO₂ 得到Ti，
（1）轉化關系中生成的離子分析判斷發生反應的物質和離子及其生成的離子，鐵還原鐵離子為亞鐵離子；
（2）根據物質溶解度本題分析析出晶體的條件應用；
（3）依據操作過程中形成的物質溶解性和分離目的分析回答；
（4）依據二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子分析氧化還原反應生成二價錳的化合物，結合電荷守恒和原子守恒寫出；
（5）依據圖示生成物質的分析，陽極生成二氧化碳，陰極析出鈣，結合電解池中陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，寫出電極反應；TiO₂直接電解法生產鈦，發生還原反應，二氧化鈦為陰極，連接電源負極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子；電解一段時間后，需要更換石墨電極是因為氧離子生成氧氣會消耗碳．

解答 解：（1）步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉化為Fe²⁺的反應的離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，②中加入鐵粉的目的是除去Fe³⁺，
故答案為：除去Fe³⁺；
（2）步驟③冷卻結晶得到硫酸亞鐵晶體，利用的是物質溶解度的不同，通過冷卻熱飽和溶液得到，故答案為：b；
（3）②③④步驟的操作過程中都得到沉淀或晶體，所以需要過濾得到固體和溶液，
故答案為：過濾；
（4）④的離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺，④中使用熱水的目的是促進TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂，該過程在熱水中操作的目的是由于水解反應吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應方向移動，提高H₂TiO₃的產率，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺；由于水解反應吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應方向移動，提高H₂TiO₃的產率；
（5）利用生產過程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應生產硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），利用二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子為三價鐵離子，反應的離子方程式為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（5）①電解時，陰極上得電子發生還原反應，所以二氧化鈦得電子生成鈦和氧離子，和電源負極相連，電極反應式為TiO₂+4e-=Ti+2O^2-；
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
②電解一段時間后，需要更換石墨電極，氧離子在陽極失電子發生氧化反應生成氧氣，碳和氧氣發生反應生成一氧化碳，反應為O^2--2e^-+C=CO，
故答案為：氧離子在陽極失電子發生氧化反應生成氧氣，碳和氧氣發生反應生成一氧化碳，O^2--2e^-+C=CO；

點評 本題考查了物質制備、物質性質、實驗基本操作、電解原理等知識點，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．