Question

8．鈦是繼鐵、鋁后的第三金屬，二氧化鈦廣泛應用于各類結構表面涂料、紙張涂層等，二氧化鈦還可作為制備鈦單質的原料．

Ⅰ．用鈦鐵礦制取二氧化鈦，（鈦鐵礦主要成分為FeTiO₃，其中Ti元素化合價為+4價，含有Fe₂O₃雜質．）主要流程如圖1：
（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應的離子方程式Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）加Fe的作用是將Fe³⁺還原為Fe²⁺．
Ⅱ．由金紅石（含TiO₂大于96%）為原料生產鈦的流程如圖2：
（3）反應②的方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti，該反應需要在Ar氣氛中進行的原因是防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂（或N₂、CO₂）作用．
Ⅲ．科學家從電解冶煉鋁的工藝得到啟發(fā)，找出了冶煉鈦的新工藝．
（4）TiO₂直接電解法生產鈦是一種較先進的方法，電解質為熔融的氧化鈣，原理如圖3所示 該方法陰極獲得鈦的電極反應為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．
（5）陽極產生的CO₂經常用氫氧化鈉溶液來吸收，現有0.4mol CO₂用200ml 3mol/L的NaOH溶液將其完全吸收，溶液中的離子濃度由大到小的順序為c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 I．鈦鐵礦用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺，過濾除去不溶物，濾液冷卻結晶析出硫酸亞鐵晶體，過濾分離，濾液中經過系列轉化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應生成硫酸鐵與水；
（2）加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃時、氬氣環(huán)境下，Na與四氯化鈦發(fā)生置換反應；高溫時，Na、Ti易與空氣中的氧氣等發(fā)生反應；
Ⅲ．TiO₂直接電解法生產鈦，發(fā)生還原反應，二氧化鈦為陰極，連接電源負極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子；根據二氧化碳和氫氧化鈉之間反應量的關系：按照1：1反應，產物是碳酸氫鈉，按照1：2反應，產物是碳酸鈉來分析回答．

解答 解：I．鈦鐵礦用硫酸溶解，得到溶液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，加入Fe粉將Fe³⁺還原為Fe²⁺，過濾除去不溶物，濾液冷卻結晶析出硫酸亞鐵晶體，過濾分離，濾液中經過系列轉化得到TiO₂；
（1）Fe₂O₃與H₂SO₄反應生成硫酸鐵與水，反應離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，故答案為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）加Fe的作用是：將Fe³⁺還原為Fe²⁺，故答案為：將Fe³⁺還原為Fe²⁺；
Ⅱ．（3）在550℃時、氬氣環(huán)境下，Na與四氯化鈦發(fā)生置換反應，反應方程式為：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti，高溫時，Na、Ti易與空氣中的氧氣等發(fā)生反應，所以該反應需要在Ar氣氛中進行，
故答案為：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;550℃\;}}{氬氣}$4NaCl+Ti；防止高溫下Na（Ti）與空氣中的O₂（或N₂、CO₂）作用；
Ⅲ．（4）TiO₂直接電解法生產鈦，發(fā)生還原反應，二氧化鈦為陰極，連接電源負極，由示意圖可知二氧化鈦獲得電子生成Ti與氧離子，陰極電極反應式為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
III．（4）電解時，陰極上得電子發(fā)生還原反應，所以二氧化鈦得電子生成鈦和氧離子，和電源負極相連，電極反應式為TiO₂+4e-=Ti+2O^2-；
故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（5）根據二氧化碳和氫氧化鈉之間反應量的關系：按照1：1反應，產物是碳酸氫鈉，按照1：2反應，產物是碳酸鈉，0.4molCO₂和200mL 3mol/L NaOH溶液混合，二者的物質的量之比是2：3，所的溶液是碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合物，混合物顯堿性c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根離子水解程度大與碳酸氫根離子的水解程度，所以c（CO₃^2-）＜c（HCO₃^-），即c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點評 本題以金屬的冶煉為載體，考查化學工藝流程、電解原理、離子濃度大小比較、信息獲取等問題，有利于培養(yǎng)學生分析解決問題能力、信息獲取與知識移運用，難度中等．