Question

9．金属钛易于和肌肉长在一起，可用于制造各种人造关节，因此被称为“生物金属”．工业上由钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制备钛的工艺流程如下：

（1）进行步骤Ⅰ前，钛铁矿需要先粉碎成细颗粒，目的为增大反应速率．
（2）步骤Ⅰ中所发生的主要反应的化学方程式为FeTiO₃+C $\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO↑．
（3）将步骤Ⅱ中所发生的主要反应记为反应①，则①的化学方程式为TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；有同学认为步骤Ⅱ中的物质转化中只需通入氯气，而无需加入焦炭就能实现，即发生反应②：TiO₂+2Cl₂   TiCl₄+O₂．已知相关数据如下：

反应	△H/kJ•mol-1	△S/J•K-1•mol-1
①	-72.1	+220
②	+149	+41

结合上表数据，从反应进行的方向角度分析加入焦炭的必要性加入焦炭后发生反应①，与反应②相比，△H减小，△S增大，更有利于反应在较低温度下向右进行．
（4）步骤Ⅲ中，反应物TiCl₄应避免接触水，原因为防止TiCl₄水解；反应结束后，用盐酸洗涤粗Ti，除去Mg、MgCl₂（填化学式），即可制得海绵钛．
（5）钛铁矿转化为粗TiO₂也可以通过湿法完成：先用浓H₂SO₄溶解，将钛铁矿转化为TiO²⁺，然后使其水解得到粗TiO₂．用酸清洗可除去粗TiO₂中的Fe（OH）₃杂质，已知25℃时，Ksp[Fe（OH）₃]=2.79×10^-39，则该温度下，Fe（OH）₃（s）+3H⁺（aq）?Fe³⁺（aq）+3H₂O（1）的平衡常数K=2.79×10³．
（6）金属钛还可以通过电解直接获得．以石墨为阳极，TiO₂为阴极，熔融CaO为电解质，其阴极的电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制备钛，钛铁矿加入过量焦炭在高温下还原生成铁和粗TiO₂，加入过量焦炭在高温下氯化反应生成TiCl₄，加入还原剂还原生成金属钛，酸洗后得到海绵钛；
（1）增大接触面积加快反应速率；
（2）步骤Ⅰ中所发生的主要反应是FeTiO₃在高温下被碳还原生成二氧化钛、铁，碳被氧化为一氧化碳；
（3）步骤Ⅱ中所发生的主要反应是二氧化钛和氯气、碳高温发生氧化还原反应生成四氯化钛和一氧化碳，加入焦炭后发生反应①，与反应②相比，△H减小，△S增大；
（4）TiCl₄遇到水易发生水解，用盐酸洗涤粗Ti，除去表面的杂质；
（5）依据平衡常数的概念结合反应写出计算式计算平衡浓度得到；
（6）电解池的阴极上得电子反应还原反应生成金属钛．

解答 解：钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含少量Fe₂O₃）制备钛，钛铁矿加入过量焦炭在高温下还原生成铁和粗TiO₂，加入过量焦炭在高温下氯化反应生成TiCl₄，加入还原剂还原生成金属钛，酸洗后得到海绵钛；
（1）进行步骤Ⅰ前，钛铁矿需要先粉碎成细颗粒，目的为增大接触面积增大反应速率，故答案为：增大反应速率；
（2）步骤Ⅰ中所发生的主要反应是FeTiO₃在高温下被碳还原生成二氧化钛、铁，碳被氧化为一氧化碳，反应的化学方程式为：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO₂+CO↑；
故答案为：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;1180℃-1200℃\;}}{\;}$ Fe+TiO₂+CO↑；
（3）步骤Ⅱ中所发生的主要反应是二氧化钛和氯气、碳高温发生氧化还原反应生成四氯化钛和一氧化碳，①的化学方程式为：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，图表数据分析可知加入焦炭后发生反应①，与反应②相比，△H减小，△S增大，更有利于反应在较低温度下向右进行，
故答案为：TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;800℃-900℃\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO；加入焦炭后发生反应①，与反应②相比，△H减小，△S增大，更有利于反应在较低温度下向右进行；
（4）步骤Ⅲ中，反应物TiCl₄应避免接触水，原因为防止TiCl₄水解，反应结束后，用盐酸洗涤粗Ti，除去Mg、MgCl₂等杂质，制得海绵钛，
故答案为：防止TiCl₄水解；Mg、MgCl₂；
（5）K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=2.79×10^-39，反应Fe （OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+H₂O的平衡常数K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{（\frac{1{0}^{-14}}{c（O{H}^{-}）}）^{3}}$=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）×10⁴²=2.79×10^-39×10⁴²=2.79×10³，故答案为：2.79×10³；
（6）电解时，阴极上得电子发生还原反应，电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，阳极上是氧离子失电子发生氧化反应产生氧气，电极反应为2O^2--4e^-=O₂，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

点评 本题考查学生阅读题目获取信息能力、氧化还原反应、绿色化学、胶体、物质分离提纯，平衡常数计算，溶度积常数的计算应用，盖斯定律的计算应用等，难度中等，注意基础知识的掌握利用．