Question

TiO₂在工业生产和日常生活中有重要用途。
（1）工业上用钛矿石（FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质）经过下述反应制得：

其中，步骤②发生的主要反应为：2H₂SO₄+FeTiO₃ ="=" TOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O
净化钛矿石时，需用浓氢氧化钠溶液来处理。写出该过程中发生反应的化学方程式：________________。
步骤③中加热的目的是（请写出必要的化学方程式和文字）:             。
（2）用TiO₂制备金属钛的一种方法是先将TiO₂与Cl₂、C反应得到TiCl₄，再用镁还原得到Ti。因下述反应难于发生：TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g） △H＝+151 kJ/mol。所以不能直接由TiO₂和Cl₂反应（即氯化反应）来制取TiCl₄，请说明判断该反应难以发生的理由是_______。当往氯化反应体系中加入碳后，反应在高温条件下能顺利进行生成TiCl₄。
已知：C（s）+O₂（g）＝CO₂（g）   △H=394 kJ/mol。
则TiO₂（s）+C（s）+2Cl₂（g）＝TiCl₄（1）+CO₂（g） △H=________
从化学平衡的角度解释：往氯化反应体系中加入碳时，氯化反应能顺利进行的原因是_______________。
（3）下图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个由有机光敏染料（S）涂覆TiO₂纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，电池中发生的反应为：

TiO₂/STiO₂/S^*（激发态）
TiO₂/S^* TiO₂/S⁺ + e^-
I₃^-+2e^-3I^-
2TiO₂/S^*+I₃^-  2TiO₂/S + I₃^-
下列关于该电池叙述正确的是        

A．电池工作时，I-离子在镀铂导电玻璃电极上放电

B．电池工作时，是将太阳能转化为电能

C．电池的电解质溶液中I-和I3- 浓度不会减少

D．电池中镀铂导电玻璃为正极

Answer 1

（共14分）（1）Al₂O₃ + 2NaOH＝2NaAlO₂ + H₂O （2分） SiO₂ + 2NaOH＝Na₂SiO₃ + H₂O（2分）
TiOSO₄的水解TiOSO₄ + 2H₂OH₂TiO₃↓+ H₂SO₄是一个吸热反应，加热促进TiOSO₄水解趋于完全。（2分） （2）该反应的△H＞0，△S＜0，反应难以自发进行（2分）；－243kJ/mol（2分）；TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g） 碳与氧气反应，减小了产物O₂（g）的浓度，平衡向正反应方向移动，使反应能顺利进行（1分） （3）BCD（3分）

解析试题分析：（1）由于钛矿石中含有氧化铝和二氧化硅，氧化铝是两性氢氧化物，二氧化硅是酸性氧化物，它们均能和氢氧化钠溶液反应，所以该过程中发生反应的化学方程式是Al₂O₃ + 2NaOH＝2NaAlO₂ + H₂O、SiO₂ + 2NaOH＝Na₂SiO₃ + H₂O。步骤③是TiOSO₄的水解生成钛酸的过程，由于TiOSO₄的水解TiOSO₄ + 2H₂OH₂TiO₃↓+ H₂SO₄是一个吸热反应，因此加热的目的是促进TiOSO₄水解趋于完全。（2）根据反应的方程式可知，该反应是吸热的、体积减小的可逆反应，即该反应的△H＞0，△S＜0， 所以反应难以自发进行；根据反应①TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g）和反应②C（s）+O₂（g）＝CO₂（g）并结合盖斯定律可，①＋②即得到TiO₂（s）+C（s）+2Cl₂（g）＝TiCl₄（1）+CO₂（g） ，所以该反应的反应热△H＝＋151 kJ/mol－394 kJ/mol＝－243kJ/mol。由于碳与氧气反应，减小了产物O₂（g）的浓度，使可逆反应TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g）向正反应方向移动，所以能使反应能顺利进行。
（3）根据图中电子的移动方向可知，在外电路中电子由负极流向正极，即半导材料TiO₂与染料为原电池的负极，铂电极为原电池的正极，电解质为I₃^－和I^－的混合物，I₃^－在正极上得电子被还原，正极反应为I₃^－+2e^－＝3I^－。则
A、电池工作时，I^＝离子在铂电极上放电，发生氧化反应，A不正确；
B. 该电池是将太阳能转化为电能的装置，故B正确；
C. 将已知的4个反应合并即得到总反应I₃^－3I^－，所以电池的电解质溶液中I^-和I₃^- 浓度不会减少，C正确；
D.电池中镀铂导电玻璃为正极，D正确，答案选BCD。
考点：考查物质的分离与提纯；外界条件对平衡状态的影响；反应自发性的判断；电化学原理的有关应用