Question

（ 12分）鈦（Ti）被稱為繼鐵、鋁之后的第三金屬，鈍鈦和以鈦為主的合金是新型的結構材料，主要用于航天工業和航海工業，下列是有關鈦的冶煉及應用的問題。

（1）金屬鈦冶煉過程中其中一步反應是將原料金紅石轉化：TiO₂（金紅石）+2C+2Cl₂  TiCl₄+2CO

已知：C（S）+O₂（g）＝CO₂（g）         H＝－393．5 kJ·mol^-1

2CO（g）＋O₂（g）＝2CO₂（g）  H＝-566 kJ·mol^-1

TiO₂（s）+2Cl₂（g）＝TiCl₄（s）+O₂（g）  H＝+141 kJ·mol^-1

則TiO₂（g）+2Cl₂（g）+2C（s）＝TiCl₄（s）+2CO（g）的H＝                     ，

（2）鈉熱還原法是冶煉金屬鈦的方法之一，主要反應原理為：4Na+TiCl₄     4NaCl+Ti，該反應不能在水溶液中進行，一是因為TiCl₄會強烈水解生成TiO₂，另一原因                                                             （用適當化學方程式輔以必要的文字說明）。

（3）鎂還原法也是冶煉金屬鈦的常用方法，其主要反應原理如下：

        MgCl₂  Mg+Cl₂              TiCl₄+2Mg  2MgCl₂+Ti

從海水中提取MgCl₂時，先在海水中加入熟石灰，沉淀出Mg（OH）₂，寫出Mg（OH）₂溶度積表達式：                          

可加入適當過量的熟石灰，從Mg（OH）₂溶解平衡角度解釋其原因               

（4）TiCl₄與LiOH在水溶液中一定條件下可反應生成Li₄Ti₅O₁₂（鈦酸鋰），Li₄Ti₅O₁₂可與LiMn₂O₄（錳酸鋰）等正極材料組成理離子二次電池，工作時Li⁺ 在電池內定向移動，其電池反應為：，使用時先充電，寫出其充電式的陽極反應           ，放電時Li⁺的移動方向          。

 

Answer 1

（ 12分，每空2分）（1）-80kJ／mol

（2）2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑，金屬鈉與水劇烈反應，不會置換出鈦

（3）；氫氧根離子濃度增大，使氫氧化鎂的溶解平衡左移，有利于氫氧化鎂的析出

  （4）3LiMn₂O₄－3e^－＝3Li⁺+ 6MnO₂  從負極（Li₇Ti₅O₁₂）  移向正極（MnO₂）

解析:（1）考查蓋斯定律的應用。設已知的3個反應依次為①②③，則①×2－②＋③即得到TiO₂（g）+2Cl₂（g）+2C（s）＝TiCl₄（s）+2CO（g），所以其反應熱H＝（－393.5×2＋566＋141）kJ·mol^-1＝－80．0 kJ·mol^-1。

（2）鈉屬于活潑性金屬，極易和水反應生成氫氣，方程式為2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑。

（3）在一定條件下，當沉淀溶解達到平衡時生成物濃度的冪之積即為溶度積常數，所以Mg（OH）₂溶度積表達式。加入適當過量的熟石灰后，增大量溶液中的氫氧根離子濃度，使溶解平衡向逆反應方向移動，從而有沉淀析出。

(4) 充電時陽極失去電子，根據總反應式可看出錳的化合價升高，所以陽極的電極反應式為3LiMn₂O₄－3e^－＝3Li⁺+ 6MnO₂。放電相當于原電池，陽離子向正極移動。