Question

5．金属钛（Ti）性能优越，被称为继铁、铝之后的“第三金属”．工业上以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质）为主要原料冶炼金属钛，其生产的工艺流程图如下：

已知：2H₂SO₄（浓）+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步骤I中发生反应的离子方程式：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O．

（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中．25℃时，难溶电解质溶解度（s）与pH关系如图1，TiO（OH）₂溶度积K_sp=1×10^-29
①步骤Ⅲ加入铁屑原因是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀．
②TiO²⁺水解的离子方程式为TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺．
向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是调节溶液pH值，促进TiO²⁺水解．当溶液pH接近3时，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄$\stackrel{Mg}{→}$Ti反应后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸馏的方法分离得到Ti，依据下表信息，需加热的温度略高于1412℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔点/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸点/℃	136.4	1090	1412	3287

（4）研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，利用右图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂，还原二氧化钛制备金属钛．写出阳极上所发生的反应式：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

Answer 1

分析 钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反应的硫酸等，由图1可知TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入铁粉目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，沉降分离得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再浓缩蒸发得到绿矾与溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸钠溶液，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再经过系列操作得到Ti．
（1）步骤I中发生反应有：氧化铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠与水，二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠与水；
（2）①步骤Ⅲ加入铁屑，将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺；
加入碳酸钠溶液，促进TiO²⁺水解，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）控制稳定使混合物中Mg、MgCl₂转化为气态，而Ti不能转化为气态；
（4）电解时阳极发生氧化反应，由电解池结构可知，阳极上氧离子失去电子生成氧气，与碳作用生成二氧化碳．

解答 解：钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反应的硫酸等，由图1可知TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入铁粉目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，沉降分离得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再浓缩蒸发得到绿矾与溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸钠溶液，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再经过系列操作得到Ti．
（1）步骤I中发生反应有：氧化铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠与水，二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠与水，相应反应离子方程式为：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O，
故答案为：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①由图可知TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入铁粉目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，
故答案为：将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺，离子方程式为：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；
加入碳酸钠溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是：调节溶液pH值，促进TiO²⁺水解；由图可知，pH=3时TiO（OH）₂已沉淀完全，
故答案为：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；调节溶液pH值，促进TiO²⁺水解； 3；
（3）Mg、MgCl₂的沸点最高是1412℃，而Ti的熔点为1667℃，所以当温度略高于1412℃时Mg、MgCl₂以气体的形式除去，而得到Ti，
故答案为：1412；
（4）电解时阳极发生氧化反应，由电解池结构可知，阳极上氧离子失去电子生成氧气，与碳作用生成二氧化碳，阳极电极反应式为：C+2O^2--4e^-=CO₂↑，
故答案为：C+2O^2--4e^-=CO₂↑．

点评 本题综合考查物质制备实验、物质分离提纯、对操作的分析评价、电解原理等，注意分析工艺流程中试剂线、原理线、操作线，要求学生具有一定分析和解决问题的能力，题目难度中等．