Question

金屬鈦（Ti）性能優越，被稱為繼鐵、鋁之后的“第三金屬”．工業上以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等雜質）為主要原料冶煉金屬鈦，其生產的工藝流程圖如圖1：

已知：2H₂SO₄（濃）+FeTiO₃═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步驟I中發生反應的離子方程式：

 

、

 

．
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中．25℃時，難溶電解質溶解度與pH關系如圖2，TiO（OH）₂溶度積K_sp=1×10^-29

①步驟Ⅲ加入鐵屑原因是

 

．
②TiO²⁺水解的離子方程式為

 

．向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是

 

．當溶液pH=

 

時，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄→Ti反應后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸餾的方法分離得到Ti，依據如表信息，需加熱的溫度略高于

 

℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔點/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸點/℃	136.4	1090	1412	3287

（4）電解TiO₂制備鈦的方法如圖3所示．該方法由于具備生產過程簡化、生產成本低、產品質量高、環境友好等諸多優點而引人注目．已知TiO₂熔融狀態下不發生電離，電解時陰極反應式為

 

．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計

專題：實驗設計題

分析：（1）根據鈦鐵礦的成分可知與氫氧化鈉溶液反應的物質是氧化鋁和二氧化硅，離子方程式為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①根據實驗目的結合TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH分析；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺； 從流程圖中可看出加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀分析加入Na₂CO₃粉末的作用；根據圖判斷pH證明TiO（OH）₂已沉淀完全；
（3）根據Mg、MgCl₂、Ti的熔沸點分析；
（4）根據電解時陰極發生還原反應，結合TiO₂熔融狀態下不發生電離書寫；

解答： 解：（1）根據鈦鐵礦的成分可知與氫氧化鈉溶液反應的物質是氧化鋁和二氧化硅，離子方程式為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；故答案為：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①由圖可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，故答案為：將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；從流程圖中可看出加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是調節溶液pH值，使TiO²⁺水解平衡正向移動；由圖可知，pH=2時TiO（OH）₂已沉淀完全，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；調節溶液pH值，促進TiO²⁺水解； 2；
（3）Mg、MgCl₂的沸點最高是1412℃，而Ti的熔點為1667℃，所以當溫度略高于1412℃時Mg、MgCl₂以氣體的形式除去，得到Ti，故答案為：1412；
（4）電解時陰極發生還原反應，因為TiO₂熔融狀態下不發生電離，所以是TiO₂得電子生成Ti單質和O^2-，電極反應式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；

點評：本題綜合考查了元素化合物的性質知識，注意物質分離的流程分析判斷，物質性質的應用，離子性質的應用，分離操作的方法，電解池原理的應用，電極反應的書寫原則等，要求學生具有分析和解決問題的能力，有利于培養學生的良好的科學素養，題目難度中等．