Question

4．鈦及其合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐酸、堿腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用于航天、航空、航海、石油、化工、醫(yī)藥等部門．由釩鈦磁鐵礦經(jīng)“選礦”得到的鈦鐵礦提取金屬鈦（海綿鈦）的主要工藝過程如下：

（1）鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃．控制電爐熔煉溫度（＜1500K），用等物質(zhì)的量的碳還原出鐵，而鈦以二氧化鈦的形式進(jìn)入爐渣浮于熔融鐵之上，使鈦與鐵分離，鈦被富集．寫出相關(guān)反應(yīng)：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO．
（2）已知氯化反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生一種無色可燃性氣體，請(qǐng)寫出在1073-1273K下氯化反應(yīng)的化學(xué)方程式：2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄．
（3）氯化得到的TiCl₄中含有的VOCl₃必須用高效精餾的方法除去．實(shí)際生產(chǎn)中常在409K下用Cu還原VOCl₃，反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比為1：1，生成氯化亞銅和難溶于TiCl₄的還原物，寫出此反應(yīng)方程式：Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂．
（4）TiCl₄的還原通常在800°C的條件下進(jìn)行，反應(yīng)過程中通入氬氣的目的是防止Mg在高溫下與空氣中O₂、CO₂等反應(yīng)，試寫出從還原產(chǎn)物中分離出海綿鈦的步驟①加入過量的稀鹽酸②過濾③洗滌、干燥固體．
（5）電解法冶煉鈦的一種生產(chǎn)工藝是將TiO₂與粉末與黏結(jié)劑混合后，壓制成電解陰極板，用石墨作陽極，熔融氧化鈣作電解質(zhì)，電解過程中陽極生成O₂和CO₂氣體，破碎洗滌陰極板即得到電解鈦．試寫出陰極反應(yīng)方程式TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 鈦鐵礦在高溫條件下被碳還原，得到生鐵和高鈦渣（TiO₂），高鈦渣與碳、氯氣高溫條件下生成TiCl₄，TiCl₄用鎂還原可知海綿鈦，
（1）FeTiO₃高溫下與等物質(zhì)的量的碳還原出鐵同時(shí)生成二氧化鈦根據(jù)元素守恒和電子得失守恒書寫化學(xué)方程式；
（2）氯化反應(yīng)是碳、氯氣與二氧化鈦的反應(yīng)，根據(jù)元素守恒可知，過程中會(huì)產(chǎn)生一種無色可燃性氣體應(yīng)為CO，據(jù)此書寫化學(xué)方程式；
（3）在409K下用Cu還原VOCl₃，反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比為1：1，生成氯化亞銅和難溶于TiCl₄的還原物應(yīng)為VOCl₂，據(jù)此書寫反應(yīng)方程式；
（4）用Mg還原TiCl₄制金屬鈦取過程中必須在1070K的溫度下進(jìn)行，而在此溫度下鎂、鈦都會(huì)與氧氣反應(yīng)；金屬鈦中混有少量雜質(zhì)鎂，由題給信息知鈦的化學(xué)活性很小，僅能與氧氣等幾種物質(zhì)起反應(yīng)，而與稀鹽酸或稀硫酸等不反應(yīng)，據(jù)此答題；
（5）電解時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ti，電極方程式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極方程式為2O^2-+4e^-=O₂，陽極生成O₂，由于陽極材料為石墨，則氧氣和石墨反應(yīng)可生成CO₂等，據(jù)此答題．

解答 解：鈦鐵礦在高溫條件下被碳還原，得到生鐵和高鈦渣（TiO₂），高鈦渣與碳、氯氣高溫條件下生成TiCl₄，TiCl₄用鎂還原可知海綿鈦，
（1）FeTiO₃高溫下與等物質(zhì)的量的碳還原出鐵同時(shí)生成二氧化鈦，反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO，
故答案為：FeTiO₃+C$\frac{\underline{\;＜1500K\;}}{\;}$Fe+TiO₂+CO；
（2）氯化反應(yīng)是碳、氯氣與二氧化鈦的反應(yīng)，根據(jù)元素守恒可知，過程中會(huì)產(chǎn)生一種無色可燃性氣體應(yīng)為CO，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄，
故答案為：2C+2Cl₂+TiO₂=$\frac{\underline{\;1073-1273K\;}}{\;}$2CO+TiCl₄；
（3）在409K下用Cu還原VOCl₃，反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比為1：1，生成氯化亞銅和難溶于TiCl₄的還原物應(yīng)為VOCl₂，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂，
故答案為：Cu+VOCl₃$\frac{\underline{\;409K\;}}{\;}$CuCl+VOCl₂；
（4）用Mg還原TiCl₄制金屬鈦取過程中必須在1070K的溫度下進(jìn)行，而在此溫度下鎂、鈦都會(huì)與氧氣反應(yīng)，所以反應(yīng)過程中通入氬氣的目的是防止Mg在高溫下與空氣中O₂、CO₂等反應(yīng)，金屬鈦中混有少量雜質(zhì)鎂，由題給信息知鈦的化學(xué)活性很小，僅能與氧氣等幾種物質(zhì)起反應(yīng)，而與稀鹽酸或稀硫酸等不反應(yīng)，所以實(shí)驗(yàn)操作為①加入過量的稀鹽酸②過濾③洗滌、干燥固體，
故答案為：防止Mg在高溫下與空氣中O₂、CO₂等反應(yīng)；①加入過量的稀鹽酸②過濾③洗滌、干燥固體；
（5）電解時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ti，電極方程式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極方程式為2O^2-+4e^-=O₂，陽極生成O₂，由于陽極材料為石墨，則氧氣和石墨反應(yīng)可生成CO₂等，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，為高考常見題型，難度中等，注意把握實(shí)驗(yàn)的基本原理和物質(zhì)的性質(zhì)．