Question

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

（1）進行步驟Ⅰ前，鈦鐵礦需要先粉碎成細顆粒，目的為增大反應速率．
（2）步驟Ⅰ中所發生的主要反應的化學方程式為FeTiO₃+C $\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO↑．
（3）將步驟Ⅱ中所發生的主要反應記為反應①，則①的化學方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；有同學認為步驟Ⅱ中的物質轉化中只需通入氯氣，而無需加入焦炭就能實現，即發生反應②：TiO₂+2Cl₂   TiCl₄+O₂．已知相關數據如下：

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

結合上表數據，從反應進行的方向角度分析加入焦炭的必要性加入焦炭后發生反應①，與反應②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應在較低溫度下向右進行．
（4）步驟Ⅲ中，反應物TiCl₄應避免接觸水，原因為防止TiCl₄水解；反應結束后，用鹽酸洗滌粗Ti，除去Mg、MgCl₂（填化學式），即可制得海綿鈦．
（5）鈦鐵礦轉化為粗TiO₂也可以通過濕法完成：先用濃H₂SO₄溶解，將鈦鐵礦轉化為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，已知25℃時，Ksp[Fe（OH）₃]=2.79×10^-39，則該溫度下，Fe（OH）₃（s）+3H⁺（aq）?Fe³⁺（aq）+3H₂O（1）的平衡常數K=2.79×10³．
（6）金屬鈦還可以通過電解直接獲得．以石墨為陽極，TiO₂為陰極，熔融CaO為電解質，其陰極的電極反應式為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速率；
（2）步驟Ⅰ中所發生的主要反應是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中所發生的主要反應是二氧化鈦和氯氣、碳高溫發生氧化還原反應生成四氯化鈦和一氧化碳，加入焦炭后發生反應①，與反應②相比，△H減小，△S增大；
（4）TiCl₄遇到水易發生水解，用鹽酸洗滌粗Ti，除去表面的雜質；
（5）依據平衡常數的概念結合反應寫出計算式計算平衡濃度得到；
（6）電解池的陰極上得電子反應還原反應生成金屬鈦．

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）進行步驟Ⅰ前，鈦鐵礦需要先粉碎成細顆粒，目的為增大接觸面積增大反應速率，故答案為：增大反應速率；
（2）步驟Ⅰ中所發生的主要反應是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，反應的化學方程式為：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中所發生的主要反應是二氧化鈦和氯氣、碳高溫發生氧化還原反應生成四氯化鈦和一氧化碳，①的化學方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，圖表數據分析可知加入焦炭后發生反應①，與反應②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應在較低溫度下向右進行，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO；加入焦炭后發生反應①，與反應②相比，△H減小，△S增大，更有利于反應在較低溫度下向右進行；
（4）步驟Ⅲ中，反應物TiCl₄應避免接觸水，原因為防止TiCl₄水解，反應結束后，用鹽酸洗滌粗Ti，除去Mg、MgCl₂等雜質，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Fe （OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+H₂O的平衡常數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，陰極上得電子發生還原反應，電極反應式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽極上是氧離子失電子發生氧化反應產生氧氣，電極反應為2O^2--4e^-=O₂，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

點評 本題考查學生閱讀題目獲取信息能力、氧化還原反應、綠色化學、膠體、物質分離提純，平衡常數計算，溶度積常數的計算應用，蓋斯定律的計算應用等，難度中等，注意基礎知識的掌握利用．