Question

【题目】TiO2在工业生产和日常生活中有重要用途。

工业上用钛铁矿(主要成分是TiO2、少量FeO和Fe2O3)制备TiO2，再用TiO2制备TiCl4等产品的一种工艺流程如图所示：

已知：TiO2＋发生水解反应的化学方程式为TiO2＋＋(n＋1)H2OTiO2·nH2O＋2H＋。

(1)硫酸与TiO2反应的离子方程式是_________________________。

(2)由TiO2制取TiCl4时涉及的反应有：

TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH1＝－72 kJ·mol－1；

TiO2(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋O2(g)

ΔH2＝＋38.8 kJ·mol－1；

C(s)＋CO2(g)===2CO(g)

ΔH3＝＋282.8 kJ·mol－1。

①反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)在高温下能够自发进行的原因是____________________。

②反应C(s)＋O2(g)===CO2(g)的ΔH＝________。

(3)向Ⅰ中加入铁屑至浸出液显紫色，此时溶液仍呈强酸性。该过程中有如下反应发生：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋；2TiO2＋(无色)＋Fe＋4H＋===2Ti3＋(紫色)＋Fe2＋＋2H2O；Ti3＋(紫色)＋Fe3＋＋H2O===TiO2＋(无色)＋Fe2＋＋2H＋。

①结合信息判断Fe3＋、TiO2＋、Fe2＋的氧化性强弱关系：________＞________＞________。

②加入铁屑的作用是_____________________。

(4)向Ⅱ中不断通入高温水蒸气，维持溶液沸腾一段时间，析出水合二氧化钛沉淀。请用化学平衡理论分析通入高温水蒸气的作用：_________________________。

(5)依据绿色化学理念，该工艺流程中存在的不足之处是_________________________(写出一条即可)。

(6)工业上可通过电解TiO2来获得Ti(同时产生O2)：处理过的TiO2为阴极，石墨为阳极，熔融CaCl2为电解液，电解槽中加入炭块。阴极反应式为_____________________；

电解过程中需定期向电解槽中加入炭块的原因是______________________。

Answer 1

【答案】

【解析】(1)根据Ⅰ中溶液的成分，钛元素以TiO2＋的形式存在，故硫酸与TiO2反应生成TiO2＋，离子方程式为TiO2＋2H＋===TiO2＋＋H2O。(2)根据ΔG＝ΔH－TΔS，ΔH＞0，高温下能够自发进行的原因是该反应为熵增反应。将给出的3个反应标为a、b、c，根据盖斯定律由a－b－c可得C(s)＋O2(g)===CO2(g)的ΔH＝－393.6 kJ·mol－1。(3)①氧化还原反应中氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，由第2个式子知氧化性TiO2＋＞Fe2＋，由第3个式子知Fe3＋＞TiO2＋，则有Fe3＋＞TiO2＋＞Fe2＋。②向Ⅰ中加入铁屑至浸出液显紫色，根据离子的颜色可知溶液中含有Ti3＋，由第3个式子可知Fe3＋能将Ti3＋氧化为TiO2＋，故加入铁屑作还原剂，将Fe3＋还原为Fe2＋，保护Fe2＋不被氧化。(4)水解反应是吸热反应，通入高温水蒸气使体系的温度升高，促进TiO2＋的水解，溶液被稀释，H＋浓度降低，平衡正向移动，也促进TiO2＋的水解。(5)根据工艺流程可看出生产过程中产生了废气、废液、废渣，对环境有污染，不符合绿色化学思想。(6)熔融CaCl2为电解液，处理过的TiO2为阴极，TiO2得电子生成Ti；阳极反应式为2O2－－4e－===O2↑，石墨为阳极，碳单质与阳极产生的氧气反应而不断减少，需定期向电解槽中加入炭块。