Question

6．工業(yè)上，以鈦鐵礦為原料制備二氧化鈦的工藝流程如下圖所示．鈦鐵礦主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），其中一部分鐵元素在風(fēng)化過程中會(huì)轉(zhuǎn)化為+3價(jià)．

已知：TiOSO₄遇水會(huì)水解．
（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）步驟③中，實(shí)現(xiàn)混合物的分離是利用物質(zhì)的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）步驟②、③、④中，均需用到的操作是過濾（填操作名 稱）．
（4）請(qǐng)結(jié)合化學(xué)用語用化學(xué)平衡理論解釋步驟④中將TiO²⁺轉(zhuǎn)化為H₂TiO₃的原理：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加入熱水稀釋、升溫后，平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃
（5）可以利用生產(chǎn)過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），該反應(yīng)的離子方程式為MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（6）研究發(fā)現(xiàn)，可以用石墨作陽極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO   作電解質(zhì)，利用下圖所示裝置獲得金屬鈣，并以鈣為還原劑，還原二氧化鈦制備金屬鈦．①寫出陽極所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式： 2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；．
②在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，其原因是（請(qǐng)結(jié)合化學(xué)用語解釋）制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

Answer 1

分析 第①步加硫酸溶解生成TiO²⁺和Fe²⁺、Fe³⁺等，第②步加鐵粉還原Fe³⁺，過濾除去濾渣，第③步冷卻結(jié)晶，過濾得到FeSO₄•7H₂O和含有TiO²⁺的溶液；第④步加熱，熱水使TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，過濾得到H₂TiO₃；第⑤步H₂TiO₃受熱分解生成化生成TiO₂．
（1）鐵粉將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺；
（2）溶液中析出晶體是利用物質(zhì)溶解度的不同得到；
（3）②③④都是從溶液中得到固體的分離過程，需要用過濾裝置；
（4）依據(jù)溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影響因素和平衡移動(dòng)原理分析判斷；
（5）廢液主要是亞鐵離子、氫離子和二氧化錳反應(yīng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成錳離子和鐵離子；
（6）①依據(jù)裝置圖分析判斷，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳；
②制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽極：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

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⁺，故答案為：2Fe³⁺+Fe═3Fe²⁺；
（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，通過冷卻熱飽和溶液得到，故答案為：b；
（3）②③④步驟的操作過程中都得到沉淀或晶體，所以需要過濾得到固體和溶液，故答案為：過濾；
（4）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；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加入熱水稀釋、升溫后，
平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃；
故答案為：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加入熱水稀釋、升溫后，平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃．
（5）利用生產(chǎn)過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；
（6）①用石墨作陽極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極析出鈣金屬發(fā)生還原反應(yīng)，陽極圖示產(chǎn)物可可知，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳，所以電極反應(yīng)為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
或：制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca，陽極：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
故答案為：制備TiO₂時(shí)，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)制備流程分析判斷，為高考常見題型，綜合考查實(shí)驗(yàn)基本操作，離子方程式的書寫等，考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，注意物質(zhì)分離的流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，題目難度中等