Question

5．TiO₂在工业生产和日常生活中有重要用途．工业上用钛铁矿（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）制备TiO₂，再用TiO₂制备TiCl₄等产品的一种工艺流程如图所示：

已知：TiO²⁺发生水解反应的化学方程式为TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺
（1）硫酸与TiO₂反应的离子方程式是TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O．
（2）由TiO₂制取TiCl₄时涉及的反应有：
TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）═TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ/mol；
TiO₂（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ/mol；
C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₃=+282.8kJ/mol；
①反应C（s）+CO₂（g）═2CO（g）在高温下能够自发进行的原因是该反应是熵增反应．
②反应C（s）+O₂（g）═CO₂（g） 的△H=-393.6kJ/mol．
（3）向I中加入铁屑至浸出液显紫色，此时溶液仍呈强酸性．该过程中有如下反应发生：
2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；2TiO²⁺（无色）+Fe+4H⁺═2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O；
Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+H₂O═TiO²⁺（无色）+Fe²⁺+4H⁺．
结合信息判断Fe³⁺、TiO²⁺、Fe²⁺氧化性强弱关系：Fe³⁺＞TiO²⁺＞Fe²⁺．
（4）向II中不断通入高温水蒸气，维持溶液沸腾一段时间，析出水合二氧化钛沉淀．请用化学平衡理论分析通入高温水蒸气的作用：通入高温水蒸气能降低H⁺的浓度，提高溶液浓度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•nH₂O．
（5）依据绿色化学理念，该工艺流程中存在的不足之处是产生了废气、废液、废渣（写出一条即可）．
（6）工业上可通过电解TiO₂来获得Ti（同时产生O₂）：处理过的TiO₂为阴极，石墨为阳极，熔融CaCl₂为电解液，电解槽中加入炭块．阴极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；电解过程中需定期向电解槽中加入炭块的原因是碳单质与阳极产生的氧气反应而不断减少．

Answer 1

分析 钛铁矿（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）加入硫酸，发生反应H₂SO₄+TiO₂=TiOSO₄+H₂O，FeO、Fe₂O₃和硫酸反应生成FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃，过滤滤液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入适量的铁后将Fe₂（SO₄）₃还原为绿矾，向含有TiO²⁺、SO₄^2-中不断通入高温水蒸气，维持溶液沸腾一段时间，过滤得到TiO₂．nH₂O，焙烧得到粗TiO₂，通入氯气加入焦炭不反应，生成TiCl₄，
（1）硫酸与TiO₂反应生成TiOSO₄，据此书写；
（2）①根据反应能否自发进行的判据△G=△H-T△S判断；
②根据盖斯定律计算；
（3）氧化还原反应中，氧化剂的氧化性强于还原剂，氧化剂的氧化性强于氧化产物；
（4）TiO²⁺发生水解反应的化学方程式为TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，考虑平衡移动；
（5）该工艺流程中产生了废气、废液、废渣，污染环境；
（6）阴极上得电子反应还原反应生成金属钛；阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气和C反应生成二氧化碳．

解答 解：（1）由流程可知，硫酸与TiO₂反应生成TiOSO₄，离子方程式是TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，故答案为：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；
（2）①根据反应能否自发进行的判据△H-T△S，△H＞0，所以高温下才自发进行，说明该反应的△S＞0（或熵增加），故答案为：该反应是熵增反应；
②已知反应：a、TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ•mol^-1
b、TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ•mol^-1
c、C（s）+CO₂（g）=2CO（g）?△H₃=+282.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，反应C（s）+O₂（g）=CO₂（g）可以看成是a-b-c获得，所以该化学反应的焓变△H=-72kJ•mol^-1-282.8kJ•mol^-1-38.8kJ•mol^-1=-393.6 kJ/mol；
故答案为：-393.6 kJ/mol；
（3）向I（TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺）中加入铁屑，有如下反应发生：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，说明氧化性：Fe³⁺＞Fe²⁺，2TiO²⁺（无色）+Fe+4H⁺═2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O，则氧化性：TiO²⁺＞Fe²⁺，Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O═TiO²⁺（无色）+Fe²⁺+4H⁺，则氧化性：Fe³⁺＞TiO²⁺，故氧化性为Fe³⁺＞TiO²⁺＞Fe²⁺；
故答案为：Fe³⁺；TiO²⁺；Fe²⁺；
（4）Ⅱ为富含TiO²⁺的溶液，有平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，通入高温水蒸气能降低H⁺的浓度，提高溶液浓度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•nH₂O；
故答案为：通入高温水蒸气能降低H⁺的浓度，提高溶液浓度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•nH₂O；
（5）该工艺流程中产生了废气、废液、废渣，污染环境；
故答案为：产生了废气、废液、废渣；
（6）阴极上得电子反应还原反应生成金属钛，电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气和C反应生成二氧化碳，所以需要定期补充碳；
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；碳单质与阳极产生的氧气反应而不断减少．

点评 本题考查物质的分离提纯和制备，为高频考点，侧重考查学生对化学工艺流程的理解、分析、判断及对知识的综合运用能力，涉及除杂、氧化还原反应、电解原理等知识点，明确化学反应原理、元素化合物性质是解本题关键．