Question

8．二氧化鈦（TiO₂ ）是常用的、具有較高催化活性和穩定性的光催化劑，常用于污水處理．某工廠用古有Fe₂O₃ 的鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃  ）為原料制備二氧化鈦，其流程如圖1：

（1）步驟①中，Fe₂O₃ 與H₂SO₄ 反應的離子方程式是Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）步驟②中，加Fe粉的作用是2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺（用離子方程式表示）；步驟③中，實現混合物的分離是利用物質的b（填標號）．
a熔沸點差異  b溶解性差異  c氧化性、還原性差異
（3）步驟④中，TiO₂⁺ 水解生成H₂TiO₃ 的離子方程式是TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺
（4）可利用生產過程中的廢渣與軟錳礦（主要成分MnO₂ ）反應生產硫酸錳，則反應的離子方程式為MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（5）利用如圖2裝置，石墨作陽極，鈦網作陰極，熔融CaF₂-CaO 做電解質，可獲得金屬鈣，鈣再作為還原劑，可還原二氧化鈦制備金屬鈦．
（6）工業上用4.0噸鈦鐵礦制得1.6噸的二氧化鈦，則鈦鐵礦中鈦元素的質量分數是24%．（假設生產過程中鈦沒有損失）

Answer 1

分析 用含有Fe₂O₃ 的鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃ ）為原料制備二氧化鈦：鈦鐵礦溶于酸生成亞鐵離子和TiO²⁺，反應的離子方程式為：FeTiO₃+4H⁺=Fe²⁺+TiO²⁺+2H₂O，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⁺，步驟③利用的是物質溶解度的不同，通過冷卻熱飽和溶液，冷卻結晶得到硫酸亞鐵晶體，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．
（1）堿性氧化物和酸反應生成鹽和水；
（2）金屬鐵可以和鐵離子反應生成亞鐵離子，結合電荷守恒、原子守恒配平寫出離子方程式；根據物質溶解度分析析出晶體的條件應用；
（3）TiO²⁺發生水解生成鈦酸（H₂TiO₃）沉淀，根據元素守恒寫出反應的離子方程式；
（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；根據電解槽中發生的反應：2CaO$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Ca+O₂↑以及鈣還原二氧化鈦反應方程式：2Ca+TiO₂=Ti+2CaO來回答；
（6）根據鈦原子守恒進行解答．

解答 解：（1）氧化鐵和硫酸反應生成硫酸鐵和水，離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，
故答案為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）用鐵粉將Fe³⁺轉化為Fe²⁺的反應的離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，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：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；b；
（3）TiO²⁺發生水解生成鈦酸（H₂TiO₃）沉淀和氫離子，其離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺；
（4）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用石墨作陽極、鈦網作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質，陽極發生氧化反應，陰極析出鈣金屬發生還原反應，陽極圖示產物可可知，陽極生成二氧化碳氣體，是電解質中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應生成的二氧化碳，所以電極反應為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②陰極上電極反應式為：2Ca²⁺+4e^-═2Ca，陽極上電極反應為：2O^2--4e^-=O₂↑，電解槽中發生反應：2CaO$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Ca+O₂↑，鈣還原二氧化鈦反應方程式為：2Ca+TiO₂=Ti+2CaO，在制備金屬鈦前后，整套裝置中CaO的總量不變；
（6）如果取鈦鐵礦4t，生產出1.6噸的二氧化鈦，其中鈦元素的質量是1.6×$\frac{48}{80}$×100%=0.96t，所以鈦鐵礦中鈦的質量分數$\frac{0.96}{4}$×100%=24%，
故答案為：24%．

點評 本題考查了二氧化鈦的制備，考查了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，氧化還原反應的離子方程式的書寫方法，電解池原理的應用，側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，為高考常見題型，注意相關知識的學習與積累，題目難度中等．