Question

TiO₂俗稱鈦白粉，用途廣泛，現(xiàn)正廣泛開發(fā)，將來有機(jī)會(huì)成為新工業(yè)。工業(yè)上利用TiO₂制備金屬鈦的流程如下。

已知：I．
Ti(s)＋O₂(g)=TiO₂(s)                       △H=－946 kJ·mol^－1
2C(s)＋O₂(g)=2CO(g)                       △H=－221 kJ·mol^－1
Ti(s)＋2Cl₂(g)=TiCl₄(g)                    △H=－815 kJ·mol^－1
II．某溫度下各物質(zhì)的沸點(diǎn)如下：

物質(zhì)	TiCl4	FeCl3	SiCl4	AlCl3
沸點(diǎn)/℃	136	310	56.5	180

 
回答下列問題：
（1）在氯化工序中發(fā)生反應(yīng)：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) 。試計(jì)算其反應(yīng)的△H=       kJ?mol^－1；反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=             ，在下圖中作出TiCl₄達(dá)到平衡后百分含量隨溫度的變化趨勢(shì)圖。

（2）氯化過程中帶入的副產(chǎn)物有FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃，可用      方法獲得較純凈的TiCl₄。
（3）TiO₂與Cl₂反應(yīng)：TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+151kJ?mol^－1。該反應(yīng)在高溫條件下但難以發(fā)生，但加入碳后反應(yīng)能順利進(jìn)行，試解析上述原因                                        
(4)還原工序要在惰性氣體的氣氛中進(jìn)行的理由是_______________________。
（5）制取Ti的新工藝是用二氧化鈦?zhàn)麝帢O，以石墨為陽(yáng)極，以CaCl₂熔鹽做電解質(zhì)（在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O^2－），電解而得到Ti，該工藝具有操作簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，寫出電解制備金屬鈦時(shí)陰極的電極反應(yīng)式：               。

Answer 1

（16分）
（1）—90 （2分）；
（平衡常數(shù)2分，作圖2分，共4分）

（2）蒸餾(分餾) （2分）
（3）降低生成物O₂濃度，平衡向正方向移動(dòng) （或者碳與氧氣反應(yīng)放熱，升高溫度，導(dǎo)致平衡向吸熱反應(yīng)方向或正反應(yīng)方向移動(dòng)，3分）
（4）防止高溫下Na(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂)作用（2分）
（5）TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－ （3分）

試題分析：（1）先將已知熱化學(xué)方程式編號(hào)為①②③，觀察發(fā)現(xiàn)③—①+②可以約去Ti(s)、O₂(g)，根據(jù)蓋斯定律，可以得到熱化學(xué)方程式：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) △H=－90 kJ·mol^－1；根據(jù)平衡常數(shù)定義可知，；由于正反應(yīng)的△H=－90 kJ·mol^－1，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向或逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則TiCl₄的百分含量逐漸減小，即隨著溫度的升高，TiCl₄的百分含量逐漸減�。唬�2）讀表中信息，TiCl₄的沸點(diǎn)與雜質(zhì)相差較大，因此可以利用沸點(diǎn)差異大的性質(zhì)，選擇蒸餾或分餾進(jìn)行分離提純；（3）從外界條件對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的角度分析，加入碳后，碳能與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，即C(s)+O₂(g)=CO₂(g)，減小氧氣濃度，使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；同時(shí)碳與氧氣反應(yīng)放出熱量，使體系溫度升高，由于正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，則升溫平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；（4）還原工序中加入的鈉是強(qiáng)氧化劑，容易被空氣中氧氣或水、二氧化碳等物質(zhì)氧化，在惰性氣體氛圍中能防止高溫下Na(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂)作用，提高鈦的產(chǎn)率；（5）根據(jù)電解原理，陰極的主要反應(yīng)物和產(chǎn)物分別是二氧化鈦和單質(zhì)鈦，即TiO₂→Ti；由于鈦元素由+4價(jià)降為0價(jià)，得到4個(gè)電子，則TiO₂+4e^—→Ti；由于內(nèi)電路中熔融電解質(zhì)中氧離子可以傳導(dǎo)，因此用氧離子使左右電荷守恒，即TiO₂+4e^—→Ti+2O^2—；所以，陰極反應(yīng)式為TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－。