Question

TiO₂俗称钛白粉，用途广泛，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。工业上利用TiO₂制备金属钛的流程如下。

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．某温度下各物质的沸点如下：

物质	TiCl4	FeCl3	SiCl4	AlCl3
沸点/℃	136	310	56.5	180

 
回答下列问题：
（1）在氯化工序中发生反应：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) 。试计算其反应的△H=       kJ?mol^－1；反应的平衡常数表达式K=             ，在下图中作出TiCl₄达到平衡后百分含量随温度的变化趋势图。

（2）氯化过程中带入的副产物有FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃，可用      方法获得较纯净的TiCl₄。
（3）TiO₂与Cl₂反应：TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+151kJ?mol^－1。该反应在高温条件下但难以发生，但加入碳后反应能顺利进行，试解析上述原因                                        
(4)还原工序要在惰性气体的气氛中进行的理由是_______________________。
（5）制取Ti的新工艺是用二氧化钛作阴极，以石墨为阳极，以CaCl₂熔盐做电解质（在熔融状态下能传导O^2－），电解而得到Ti，该工艺具有操作简单，成本低，无污染等优点，写出电解制备金属钛时阴极的电极反应式：               。

Answer 1

（16分）
（1）—90 （2分）；
（平衡常数2分，作图2分，共4分）

（2）蒸馏(分馏) （2分）
（3）降低生成物O₂浓度，平衡向正方向移动 （或者碳与氧气反应放热，升高温度，导致平衡向吸热反应方向或正反应方向移动，3分）
（4）防止高温下Na(Ti)与空气中的O₂(或CO₂)作用（2分）
（5）TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－ （3分）

试题分析：（1）先将已知热化学方程式编号为①②③，观察发现③—①+②可以约去Ti(s)、O₂(g)，根据盖斯定律，可以得到热化学方程式：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) △H=－90 kJ·mol^－1；根据平衡常数定义可知，；由于正反应的△H=－90 kJ·mol^－1，正反应是放热反应，升高温度，平衡向吸热反应方向或逆反应方向移动，则TiCl₄的百分含量逐渐减小，即随着温度的升高，TiCl₄的百分含量逐渐减小；（2）读表中信息，TiCl₄的沸点与杂质相差较大，因此可以利用沸点差异大的性质，选择蒸馏或分馏进行分离提纯；（3）从外界条件对化学平衡移动的角度分析，加入碳后，碳能与氧气反应生成二氧化碳，即C(s)+O₂(g)=CO₂(g)，减小氧气浓度，使平衡向正反应方向移动；同时碳与氧气反应放出热量，使体系温度升高，由于正反应是吸热反应，则升温平衡向正反应方向移动；（4）还原工序中加入的钠是强氧化剂，容易被空气中氧气或水、二氧化碳等物质氧化，在惰性气体氛围中能防止高温下Na(Ti)与空气中的O₂(或CO₂)作用，提高钛的产率；（5）根据电解原理，阴极的主要反应物和产物分别是二氧化钛和单质钛，即TiO₂→Ti；由于钛元素由+4价降为0价，得到4个电子，则TiO₂+4e^—→Ti；由于内电路中熔融电解质中氧离子可以传导，因此用氧离子使左右电荷守恒，即TiO₂+4e^—→Ti+2O^2—；所以，阴极反应式为TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－。