Question

工业上生产金属钛的方法很多．以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛，生产的工艺流程图如图1，其中钛铁矿与浓硫酸发生反应的化学方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O

回答下列问题：
（1）钛铁矿和浓硫酸反应属于

 

  （选填“氧化还原反应”或“非氧化还原反应”）．
（2）上述生产流程中加入物质A的目的是防止Fe²⁺被氧化，物质A是

 

，上述制备TiO₂的过程中，所得到的副产物和可回收利用的物质分别是

 

、

 

．
（3）反应TiCl₄+2Mg=2MgCl₂+Ti在Ar气氛中进行的理由是

 

．
（4）由二氧化钛制取四氯化钛所涉及的反应有：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ?mol^-1TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ?mol^-1C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△△H₃=+282.8kJ?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△H=

 

．
（5）研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，利用下图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂，还原二氧化钛制备金属钛．
（6）
①写出阳极所发生反应的电极反应式：

 

．
②在制备金属钛前后，CaO的总量不变，其原因是（请结合化学用语解释）

 

．

Answer 1

考点：金属冶炼的一般原理,用盖斯定律进行有关反应热的计算,电解原理

专题：化学反应中的能量变化

分析：（1）根据氧化还原反应中元素的化合价发生变化进行分析判断；
（2）亚铁离子易被氧化为铁离子，加入金属铁可以防护被氧化，根据流程确定所得到的副产物和可回收利用的物质；
（3）Mg和Ti都有较强还原性，在高温下都易被空气中的O₂氧化，镁和氮气二氧化碳都反应；
（4）①根据反应能否自发进行的判据△H-T△S来判断；
②根据盖斯定律来计算化学反应的焓变；
（6）①依据装置图分析判断，阳极生成二氧化碳气体，是电解质中的氧离子失电子生成氧气，氧气和阳极石墨反应生成的二氧化碳；
②制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：阴极：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 阳极：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂

一定条件  .

Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变．

解答： 解：（1）钛酸亚铁的化学式为FeTiO₃，其中铁元素的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，钛的化合价为+4价，钛铁矿和浓硫酸反应后，TiOSO₄中钛的化合价为+4价，硫为+6价，氧元素的化合价为-2价，FeSO₄中铁元素的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，无化合价的变化，是非氧化还原反应，
故答案为：非氧化还原反应；
（2）亚铁离子易被氧化为铁离子，加入金属铁可以防护被氧化，所以A是金属铁，根据流程，所得到的副产物是绿矾，可回收利用的物质是硫酸，故答案为：Fe；绿矾；硫酸；
（3）Mg和Ti都有较强还原性，在高温下都易被空气中的O₂氧化，镁和二氧化碳反应生成氧化镁和碳，镁和氮气反应生成氮化镁，所以反应TiCl₄+2Mg=2MgCl₂+Ti需在Ar气氛中进行，
故答案为：防止高温下Mg和Ti与空气中的氧气（或氮气、二氧化碳）作用；
（4）①根据反应能否自发进行的判据△H-T△S，△H＞0，所以高温下才自发进行，说明该反应的△S＞0（或熵增加），故答案为：△S＞0（或熵增加）；
②已知反应a、TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（g）+2CO（g）△H₁=-72kJ?mol^-1
b、TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（g）+O₂（g）△H₂=+38.8kJ?mol^-1
c、C（s）+CO₂（g）=2CO（g）?△H₃=+282.8kJ?mol^-1
根据盖斯定律，反应C（s）+O₂（g）=CO₂（g）可以看成是a-b-c获得，所以该化学反应的焓变△H=-72kJ?mol^-1-282.8kJ?mol^-1-38.8kJ?mol^-1=-393.6 kJ/mol，
故答案为：-393.6 kJ/mol；
（6）①用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，阳极发生氧化反应，阴极析出钙金属发生还原反应，阳极图示产物可可知，阳极生成二氧化碳气体，是电解质中的氧离子失电子生成氧气，氧气和阳极石墨反应生成的二氧化碳，所以电极反应为：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案为：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂

一定条件  .

Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变；
或：制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：阴极：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 阳极：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO₂

一定条件  .

Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变；
故答案为：制备TiO₂时，在电解槽发生如下反应：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂

一定条件  .

Ti+2CaO，由此可见，CaO的量不变．

点评：本题综合考查了元素化合物的性质知识，注意物质分离的流程分析判断，物质性质的应用，离子性质的应用，分离操作的方法，电解池原理的应用，电极反应的书写原则等，要求学生具有分析和解决问题的能力，有利于培养学生的良好的科学素养，题目难度中等．