Question

【題目】TiO2在工業生產和日常生活中有重要用途。

工業上用鈦鐵礦(主要成分是TiO2、少量FeO和Fe2O3)制備TiO2，再用TiO2制備TiCl4等產品的一種工藝流程如圖所示：

已知：TiO2＋發生水解反應的化學方程式為TiO2＋＋(n＋1)H2OTiO2·nH2O＋2H＋。

(1)硫酸與TiO2反應的離子方程式是_________________________。

(2)由TiO2制取TiCl4時涉及的反應有：

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反應C(s)＋CO2(g)===2CO(g)在高溫下能夠自發進行的原因是____________________。

②反應C(s)＋O2(g)===CO2(g)的ΔH＝________。

(3)向Ⅰ中加入鐵屑至浸出液顯紫色，此時溶液仍呈強酸性。該過程中有如下反應發生：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋；2TiO2＋(無色)＋Fe＋4H＋===2Ti3＋(紫色)＋Fe2＋＋2H2O；Ti3＋(紫色)＋Fe3＋＋H2O===TiO2＋(無色)＋Fe2＋＋2H＋。

①結合信息判斷Fe3＋、TiO2＋、Fe2＋的氧化性強弱關系：________＞________＞________。

②加入鐵屑的作用是_____________________。

(4)向Ⅱ中不斷通入高溫水蒸氣，維持溶液沸騰一段時間，析出水合二氧化鈦沉淀。請用化學平衡理論分析通入高溫水蒸氣的作用：_________________________。

(5)依據綠色化學理念，該工藝流程中存在的不足之處是_________________________(寫出一條即可)。

(6)工業上可通過電解TiO2來獲得Ti(同時產生O2)：處理過的TiO2為陰極，石墨為陽極，熔融CaCl2為電解液，電解槽中加入炭塊。陰極反應式為_____________________；

電解過程中需定期向電解槽中加入炭塊的原因是______________________。

Answer 1

【答案】

【解析】(1)根據Ⅰ中溶液的成分，鈦元素以TiO2＋的形式存在，故硫酸與TiO2反應生成TiO2＋，離子方程式為TiO2＋2H＋===TiO2＋＋H2O。(2)根據ΔG＝ΔH－TΔS，ΔH＞0，高溫下能夠自發進行的原因是該反應為熵增反應。將給出的3個反應標為a、b、c，根據蓋斯定律由a－b－c可得C(s)＋O2(g)===CO2(g)的ΔH＝－393.6 kJ·mol－1。(3)①氧化還原反應中氧化劑的氧化性強于氧化產物的氧化性，由第2個式子知氧化性TiO2＋＞Fe2＋，由第3個式子知Fe3＋＞TiO2＋，則有Fe3＋＞TiO2＋＞Fe2＋。②向Ⅰ中加入鐵屑至浸出液顯紫色，根據離子的顏色可知溶液中含有Ti3＋，由第3個式子可知Fe3＋能將Ti3＋氧化為TiO2＋，故加入鐵屑作還原劑，將Fe3＋還原為Fe2＋，保護Fe2＋不被氧化。(4)水解反應是吸熱反應，通入高溫水蒸氣使體系的溫度升高，促進TiO2＋的水解，溶液被稀釋，H＋濃度降低，平衡正向移動，也促進TiO2＋的水解。(5)根據工藝流程可看出生產過程中產生了廢氣、廢液、廢渣，對環境有污染，不符合綠色化學思想。(6)熔融CaCl2為電解液，處理過的TiO2為陰極，TiO2得電子生成Ti；陽極反應式為2O2－－4e－===O2↑，石墨為陽極，碳單質與陽極產生的氧氣反應而不斷減少，需定期向電解槽中加入炭塊。