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5.[探究一]为测定钛铁矿(含FeTiO3,钛酸亚铁)中可提取氧的质量分数,某研究性学习小组设计了如图两套实验装置:(注:可提取氧指的是可被H2、C转化为H2O、CO2的氧原子)

(1)已知FeTiO3被H2还原后,生成Fe、TiO2和水,学生甲设想用图-1装置(A为电加热装置)从钛铁矿中提取氧.请写出FeTiO3在加热时被H2还原的化学方程式:FeTiO3+H2 $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO2+H2O
(2)已知FeTiO3被C还原后生成Fe、TiO2和CO2,学生乙设想用图-2装置(A为电加热装置)从钛铁矿中提取氧,并且认为该方案的意义在于:反应产生的CO2可通过绿色植物的光合作用转化为营养物质,同时产生氧气:
6CO2+6H2O $\stackrel{光合作用}{→}$C6H12O6(葡萄糖)+6O2.实验过程中,称得反应前装置A中钛铁矿的质量为ag,炭粉的质量为bg,反应后装置B中产生CaCO3的质量为cg,则钛铁矿中可提取氧的质量分数的表达式为$\frac{32c}{100a}$.
(3)经专家评审后,认定两个方案都很有意义,但实验设计方面还存在不足之处,例如图-2装置在加热时,生成的CO2不可能全部被澄清石灰水吸收,同时钛铁矿和炭粉在加热时还会产生CO,给实验带来误差.
①请对学生乙的设想提出改进措施:改用图-1装置加热钛铁矿和炭粉,并在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管,在B之后增加在B之后增加盛碱石灰的干燥管.
②改进后,实验自始至终需持续向装置A中通入N2的目的是反应前将装置中的空气赶出,反应开始后可将CO2及时赶出使之被碱石灰吸收.
[探究二]纳米TiO2作为一种光催化剂越来越受到人们的关注,现正广泛开发运用.
(4)某科研小组在不同的载体(钛片、铝片、陶瓷)表面制备二氧化钛薄膜,来考察不同载体TiO2薄膜光催化使甲基橙脱色,每次光照20min取一次样,实验结果如图-3所示,下列说法正确的是bd.(双选)
(a)不同载体,无论何种温度一定是钛片最好
(b)约在520℃时,钛片载体的光催化活性最好
(c)无论何种载体,催化活性总是随温度的升高而升高
(d)不同负载TiO2薄膜的光催化活性不同.

分析 (1)已知FeTiO3被H2还原后,生成Fe、TiO2和水,反应的化学方程式为:FeTiO3+H2 $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO2+H2O;
(2)根据关系式:CaCO3~CO2~O2,计算钛铁矿中可提取氧的质量分数;
(3)①对学生乙的设想提出改进措施:改用图1装置,为了CO充分反应生成CO2,在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管;为了防止空气中的CO2进入U型管B,在B之后增加盛碱石灰的干燥管;②实验自始至终需持续向装置A中通入N2,反应前可以将装置中的空气赶出,反应开始后可将CO2及时赶出使之被碱石灰吸收;
(4)根据图中脱色率与温度关系解题.

解答 解:(1)已知FeTiO3被H2还原后,生成Fe、TiO2和水,反应的化学方程式为:FeTiO3+H2 $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO2+H2O;故答案为:FeTiO3+H2 $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO2+H2O;
(2)根据关系式:CaCO3~CO2~O2,钛铁矿中可提取氧的物质的量为$\frac{c}{100}$mol,则钛铁矿中可提取氧的质量分数的表达式为$\frac{32c}{100a}$,故答案为:$\frac{32c}{100a}$;
(3)①对学生乙的设想提出改进措施:改用图1装置,为了CO充分反应生成CO2,在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃烧管;为了防止空气中的CO2进入U型管B,在B之后增加盛碱石灰的干燥管;
故答案为:CuO粉末;在B之后增加盛碱石灰的干燥管;
②改进后,实验自始至终需持续向装置A中通入N2,反应前可以将装置中的空气赶出,反应开始后可将CO2及时赶出使之被碱石灰吸收;
故答案为:反应前将装置中的空气赶出,反应开始后可将CO2及时赶出使之被碱石灰吸收;
(4)a.由图知,500度以下钛片最差,故a错误;
b.由图知,在520℃时,脱色率最高,钛片载体的光催化活性最好,故b正确;
c.520℃后钛片催化活性随温度的升高而较低,故c错误;
d.由图知,相同温度时,不同的载体(钛片、铝片、陶瓷),TiO2薄膜的光催化活性不同,故d正确.
故选bd.

点评 本题考查钛铁矿中可提取氧的质量分数,设计实验方案的设计与改进,难度中等,明确实验原理是解题的关键.

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