Question

12．鈦合金是航天航空工業的重要材料．由鈦鐵礦（主要成分是TiO₂和Fe的氧化物）制備TiO₂等產品的一種工藝流程示意如圖1：

已知：①TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中②TiCl₄的熔點-25.0℃，沸點136.4℃；SiCl₄的熔點-68.8℃，沸點57.6℃
回答下列問題：
（1）寫出鈦鐵礦酸浸時，主要成分TiO₂反應的離子方程式TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入鐵屑的作用是使Fe³⁺還原為Fe²⁺．
（2）操作Ⅱ包含的具體操作方法有蒸發濃縮，冷卻結晶，過濾（洗滌）．
（3）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固體TiO₂•nH₂O，請用恰當的原理和化學用語解釋其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移動，廢液中溶質的主要成分是Na₂SO₄（填化學式）．
（4）用金紅石（主要含TiO₂）為原料，采用亨特（Hunter）法生產鈦的流程如圖2：寫出沸騰氯化爐中發生反應的化學方程式TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的TiCl₄液體中常含有少量SiCl₄雜質，可采用蒸餾（或分餾）方法除去．
（5）TiO₂直接電解法生產金屬鈦是一種較先進的方法，電解液為某種可以傳導O^2-離子的熔融鹽，原理如圖3所示，則其陰極電極反應為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，電解過程中陽極電極上會有氣體生成，該氣體可能含有O₂、CO、CO₂．

Answer 1

分析 鈦鐵礦中加入稀硫酸，經充分反應后過濾，所得濾液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，從溶液中得到硫酸亞鐵晶體，應經過蒸發濃縮、冷卻結晶，過濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，以此解答該題．

解答 解：鈦鐵礦中加入稀硫酸，經充分反應后過濾，所得濾液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，從溶液中得到硫酸亞鐵晶體，應經過蒸發濃縮、冷卻結晶，過濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，
（1）由題給反應流程可知TiO₂與酸反應生成TiO²⁺，則反應的離子方程式為TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，加入鐵屑，可得到硫酸亞鐵晶體，說明加入鐵屑的作用是使Fe³⁺還原為Fe²⁺，
故答案為：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；使Fe³⁺還原為Fe²⁺；
（2）從溶液中得到硫酸亞鐵晶體，應經過蒸發濃縮、冷卻結晶，過濾等操作，有時需要洗滌晶體，以除去表面吸附的離子，
故答案為：蒸發濃縮，冷卻結晶，過濾（洗滌）；
（3）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，在整個制備流程中分別加入硫酸和碳酸鈉，則廢液中主要含有硫酸鈉，即Na₂SO₄，
故答案為：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移動；Na₂SO₄；
（4）由反應流程可知TiO₂、C和Cl₂反應生成TiCl₄和CO，則反應的化學方程式為TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，制得的TiCl₄液體中常含有少量SiCl₄雜質，因二者的沸點不同，可用蒸餾的方法分離，
故答案為：TiO₂+2C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；蒸餾（或分餾）；
（5）電解時，陰極發生還原反應生成Ti，電極方程式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽極發生氧化反應，電極方程式為2O^2-+4e^-=O₂，陽極生成O₂，由于陽極材料為石墨，則氧氣和石墨反應可生成CO、CO₂等，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；O₂、CO、CO₂．

點評 本題考查物質的制備、為高考常見題型，側重于學生的分析能力、實驗能力的考查，注意把握實驗的原理和目的，為解答該類題目的關鍵，注意物質的性質，結合題給信息解答，難度中等．