Question

8．TiO₂在工業生產和日常生活中有重要用途．
I、工業上用鈦鐵礦石（FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等雜質）經過下述反應制得：

其中，步驟③發生的反應為：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（1）寫出鈦元素在周期表中的位置第四周期IVB族．
凈化鈦礦石時，是否需要除去雜質FeO？不需要（填“需要”或“不需要”）
（2）凈化鈦礦石時，需用濃氫氧化鈉溶液來處理，寫出該過程中兩性氧化物發生反應的離子反應方程式：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）寫出⑥的化學反應方程式TiOSO₄+2H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄．
II、TiO₂可通過下述兩種方法制備金屬鈦：方法一是電解TiO₂來獲得Ti（同時產生O₂）：
將處理過的TiO₂作陰極，石墨為陽極，熔融CaCl₂為電解液，用碳塊作電解槽池．
（6）陰極反應的電極反應式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）．
（7）電解過程中需定期向電解槽池中加入碳塊的原因是碳單質會與陽極產生的氧氣反應而不斷減少．
方法二是先將TiO₂與Cl₂、C反應得到TiCl₄，再用鎂還原得到Ti．因下述反應難于發生：
TiO₂ （s）+2Cl₂ （g）?TiCl₄（1）+O₂ （g）△H=+151kJ/mol
所以不能直接由TiO₂和Cl₂反應（即氯化反應）來制取TiCl₄．請從反應原理角度說明該反應難進行的原因該反應的△H＞0，△S＜0，反應難自發進行．

Answer 1

分析 鈦鐵礦石粉碎、凈化，凈化時加入濃NaOH溶液，發生的反應為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O；然后向鈦鐵礦石中加入過量80%硫酸并加熱至343K-353K，發生反應2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，FeO和硫酸反應生成FeSO₄，加入X并調節溶液的pH得到沉淀和TiO²⁺、SO₄^2-，說明加入X后將亞鐵離子氧化為鐵離子然后調節溶液pH值將鐵離子沉淀，然后將TiO²⁺、SO₄^2-加熱、過濾得到TiO₂.2H₂O，焙燒得到TiO₂．
（1）根據其價電子數及能層數確定在元素周期表中的位置，Ti元素核外有22個電子，根據構造原理書寫其基態原子核外電子排布式；氧化亞鐵和硫酸反應生成硫酸亞鐵，不需要除去雜質FeO；
（2）兩性氧化物是氧化鋁，和NaOH溶液反應生成鹽和水；
（3）④X應該具有強氧化性，且不能引進雜質；
（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）陰極上得電子反應還原反應生成金屬鈦；
（7）陽極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應生成二氧化碳；用△H-T△S來判斷反應能否發生．

解答 解：（1）Ti元素核外有22個電子，根據構造原理知其基態原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²（或[Ar]3d²4s²），該元素的能層數為4、價電子數為4，所以鈦元素位于第四周期第IVB族，氧化亞鐵和硫酸反應生成硫酸亞鐵，所以凈化鈦礦石時，不需要除去雜質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溶液反應生成鹽和水，離子反應方程式為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，
故答案為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（3）④X應該具有強氧化性，且不能引進雜質，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引進新的雜質，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，
故答案為：除去亞鐵離子；
（5）⑥中TiO²⁺水解生成TiO₂.2H₂O，反應方程式為TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄，
故答案為：TiOSO₄+3H₂O=TiO₂•2H₂O↓+H₂SO₄；
（6）陰極上得電子反應還原反應生成金屬鈦，電極反應式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti），
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-（或Ti⁴⁺+4e^-=Ti）；
（7）陽極上氧離子失電子生成氧氣，氧氣和C反應生成二氧化碳，所以需要定期補充碳，TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（1）+O₂（g）△H=+151kJ/mol該反應中，反應物有2mol氣體，生成物只有1mol氣體，△S＜0，又△H＞0，則△H-T△S＞0，故反應不能自發進行，
故答案為：碳單質會與陽極產生的氧氣反應而不斷減少；該反應的△H＞0，△S＜0，反應難自發進行．

點評 本題考查物質的分離提純和制備，為高頻考點，側重考查學生對化學工藝流程的理解、分析、判斷及對知識的綜合運用能力，涉及除雜、氧化還原反應、電解原理、反應的方向判斷等知識點，明確化學反應原理、元素化合物性質是解本題關鍵，易錯點是（6）題電極反應式的書寫，題目難度中等．