Question

16．二十一世紀(jì)鈦將成為鐵、鋁之后的第三大金屬，工業(yè)上以鈦鐵礦為原料制備二氧化鈦及鈦的工藝流程如圖1所示，鈦鐵礦的主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），其中一部分鐵元素在風(fēng)化過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)化為+3價(jià)，F(xiàn)eTiO₃溶于酸后Ti元素以TiO²⁺存在，TiOSO₄遇水可水解．

請(qǐng)根據(jù)以上信息回答下列問(wèn)題：
（1）②中加入鐵粉的目的是除去Fe³⁺；
（2）③中混合物分離的依據(jù)是b（填字母序號(hào)）．
a．熔、沸點(diǎn)差異     b．溶解性差異     c．氧化性、還原性差異
（3）②、③、④中均需要進(jìn)行的操作是過(guò)濾（填操作名稱）．
（4）寫出④的離子方程式：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺；該過(guò)程在熱水中操作的目的是由于水解反應(yīng)吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高H₂TiO₃的產(chǎn)率
（5）利用生產(chǎn)過(guò)程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應(yīng)可生產(chǎn)硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），該反應(yīng)的離子方程式為MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（6）科學(xué)家從電解冶煉鋁的工藝得到啟發(fā)．找出了冶煉鈦的新工藝．
①直接電解固體TiO₂法生產(chǎn)鈦，原理如圖所示，則陰極獲得鈦的電極反應(yīng)為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
②電解一段時(shí)間后，需要更換石墨電極，原因是氧離子在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，碳和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，O^2--2e^-+C=CO．

Answer 1

分析 鈦鐵礦的主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），F(xiàn)eTiO₃溶于硫酸后Ti元素以TiO²⁺存在，過(guò)濾得到溶液1，溶液1中加入鐵粉還原鐵離子生成亞鐵離子過(guò)濾得到溶液2中含有TiO²⁺，F(xiàn)eSO₄，冷卻結(jié)晶過(guò)濾得到硫酸亞鐵晶體和濾液3，在熱水中加熱析出沉淀H₂TiO₃，煅燒得到TiO₂，電解TiO₂ 得到Ti，
（1）轉(zhuǎn)化關(guān)系中生成的離子分析判斷發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)和離子及其生成的離子，鐵還原鐵離子為亞鐵離子；
（2）根據(jù)物質(zhì)溶解度本題分析析出晶體的條件應(yīng)用；
（3）依據(jù)操作過(guò)程中形成的物質(zhì)溶解性和分離目的分析回答；
（4）依據(jù)二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子分析氧化還原反應(yīng)生成二價(jià)錳的化合物，結(jié)合電荷守恒和原子守恒寫出；
（5）依據(jù)圖示生成物質(zhì)的分析，陽(yáng)極生成二氧化碳，陰極析出鈣，結(jié)合電解池中陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，寫出電極反應(yīng)；TiO₂直接電解法生產(chǎn)鈦，發(fā)生還原反應(yīng)，二氧化鈦為陰極，連接電源負(fù)極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子；電解一段時(shí)間后，需要更換石墨電極是因?yàn)檠蹼x子生成氧氣會(huì)消耗碳．

解答 解：（1）步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺的反應(yīng)的離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，②中加入鐵粉的目的是除去Fe³⁺，
故答案為：除去Fe³⁺；
（2）步驟③冷卻結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體，利用的是物質(zhì)溶解度的不同，通過(guò)冷卻熱飽和溶液得到，故答案為：b；
（3）②③④步驟的操作過(guò)程中都得到沉淀或晶體，所以需要過(guò)濾得到固體和溶液，
故答案為：過(guò)濾；
（4）④的離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺，④中使用熱水的目的是促進(jìn)TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂，該過(guò)程在熱水中操作的目的是由于水解反應(yīng)吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高H₂TiO₃的產(chǎn)率，
故答案為：TiO²⁺+2H₂O=H₂TiO₃+2H⁺；由于水解反應(yīng)吸熱，升高溫度有利于水解平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高H₂TiO₃的產(chǎn)率；
（5）利用生產(chǎn)過(guò)程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應(yīng)生產(chǎn)硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），利用二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子為三價(jià)鐵離子，反應(yīng)的離子方程式為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（5）①電解時(shí)，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以二氧化鈦得電子生成鈦和氧離子，和電源負(fù)極相連，電極反應(yīng)式為TiO₂+4e-=Ti+2O^2-；
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
②電解一段時(shí)間后，需要更換石墨電極，氧離子在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，碳和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，反應(yīng)為O^2--2e^-+C=CO，
故答案為：氧離子在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，碳和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，O^2--2e^-+C=CO；

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)制備、物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)基本操作、電解原理等知識(shí)點(diǎn)，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．