Question

5．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下：

已知：2H₂SO₄（濃）+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步驟I中發生反應的離子方程式：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O．

（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（s）與pH關系如圖1，TiO（OH）₂溶度積K_sp=1×10^-29
①步驟Ⅲ加入鐵屑原因是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀．
②TiO²⁺水解的離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺．
向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是調節溶液pH值，促進TiO²⁺水解．當溶液pH接近3時，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄$\stackrel{Mg}{→}$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，依據下表信息，需加熱的溫度略高于1412℃即可．

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

（4）研究發現，可以用石墨作陽極、鈦網作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質，利用右圖所示裝置獲得金屬鈣，并以鈣為還原劑，還原二氧化鈦制備金屬鈦．寫出陽極上所發生的反應式：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

Answer 1

分析 鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應溶解，過濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應的硫酸等，由圖1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，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經過系列操作得到Ti．
（1）步驟I中發生反應有：氧化鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉與水，二氧化硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉與水；
（2）①步驟Ⅲ加入鐵屑，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⁺；
加入碳酸鈉溶液，促進TiO²⁺水解，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）控制穩定使混合物中Mg、MgCl₂轉化為氣態，而Ti不能轉化為氣態；
（4）電解時陽極發生氧化反應，由電解池結構可知，陽極上氧離子失去電子生成氧氣，與碳作用生成二氧化碳．

解答 解：鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應溶解，過濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應的硫酸等，由圖1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，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經過系列操作得到Ti．
（1）步驟I中發生反應有：氧化鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉與水，二氧化硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉與水，相應反應離子方程式為：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⁺；
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，促進TiO²⁺水解；由圖可知，pH=3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； 3；
（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，而得到Ti，
故答案為：1412；
（4）電解時陽極發生氧化反應，由電解池結構可知，陽極上氧離子失去電子生成氧氣，與碳作用生成二氧化碳，陽極電極反應式為：C+2O^2--4e^-=CO₂↑，
故答案為：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

點評 本題綜合考查物質制備實驗、物質分離提純、對操作的分析評價、電解原理等，注意分析工藝流程中試劑線、原理線、操作線，要求學生具有一定分析和解決問題的能力，題目難度中等．