Question

金屬鈦（Ti）性能優(yōu)越，被稱為繼鐵、鋁之后的“第三金屬”．工業(yè)上以鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，含F(xiàn)eO、Al₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）為主要原料冶煉金屬鈦，其生產(chǎn)的工藝流程圖如圖1：

已知：2H₂SO₄（濃）+FeTiO₃═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步驟I中發(fā)生反應的離子方程式：

 

、

 

．
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中．25℃時，難溶電解質(zhì)溶解度與pH關系如圖2，TiO（OH）₂溶度積K_sp=1×10^-29

①步驟Ⅲ加入鐵屑原因是

 

．
②TiO²⁺水解的離子方程式為

 

．向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是

 

．當溶液pH=

 

時，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄→Ti反應后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸餾的方法分離得到Ti，依據(jù)如表信息，需加熱的溫度略高于

 

℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔點/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸點/℃	136.4	1090	1412	3287

（4）電解TiO₂制備鈦的方法如圖3所示．該方法由于具備生產(chǎn)過程簡化、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點而引人注目．已知TiO₂熔融狀態(tài)下不發(fā)生電離，電解時陰極反應式為

 

．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計

專題：實驗設計題

分析：（1）根據(jù)鈦鐵礦的成分可知與氫氧化鈉溶液反應的物質(zhì)是氧化鋁和二氧化硅，離子方程式為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①根據(jù)實驗目的結(jié)合TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH分析；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺； 從流程圖中可看出加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀分析加入Na₂CO₃粉末的作用；根據(jù)圖判斷pH證明TiO（OH）₂已沉淀完全；
（3）根據(jù)Mg、MgCl₂、Ti的熔沸點分析；
（4）根據(jù)電解時陰極發(fā)生還原反應，結(jié)合TiO₂熔融狀態(tài)下不發(fā)生電離書寫；

解答： 解：（1）根據(jù)鈦鐵礦的成分可知與氫氧化鈉溶液反應的物質(zhì)是氧化鋁和二氧化硅，離子方程式為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；故答案為：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①由圖可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，故答案為：將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；從流程圖中可看出加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是調(diào)節(jié)溶液pH值，使TiO²⁺水解平衡正向移動；由圖可知，pH=2時TiO（OH）₂已沉淀完全，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；調(diào)節(jié)溶液pH值，促進TiO²⁺水解； 2；
（3）Mg、MgCl₂的沸點最高是1412℃，而Ti的熔點為1667℃，所以當溫度略高于1412℃時Mg、MgCl₂以氣體的形式除去，得到Ti，故答案為：1412；
（4）電解時陰極發(fā)生還原反應，因為TiO₂熔融狀態(tài)下不發(fā)生電離，所以是TiO₂得電子生成Ti單質(zhì)和O^2-，電極反應式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；

點評：本題綜合考查了元素化合物的性質(zhì)知識，注意物質(zhì)分離的流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)的應用，離子性質(zhì)的應用，分離操作的方法，電解池原理的應用，電極反應的書寫原則等，要求學生具有分析和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學生的良好的科學素養(yǎng)，題目難度中等．