Question

二十一世纪钛将成为铁、铝之后的第三大金属，工业上以钛铁矿为原料制备二氧化钛及钛的工艺流程如下图所示，钛铁矿的主要成分为钛酸亚铁(FeTiO₃)，其中一部分铁元素在风化过程中会转化为＋3价，FeTiO₃溶于酸后Ti元素以TiO²⁺存在，TiOSO₄遇水可水解。

请根据以上信息回答下列问题：

（1）②中加入铁粉的目的是__________；

（2）③中混合物分离的依据是________(填字母序号)。

a．熔、沸点差异     b．溶解性差异     c．氧化性、还原性差异

（3）②、③、④中均需要进行的操作是________(填操作名称)。

（4）写出④的离子方程式：_______________；该过程在热水中操作的目的是_________

（5）利用生产过程中的废液与软锰矿(主要成分为MnO₂)反应可生产硫酸锰(MnSO₄，易溶于水)，该反应的离子方程式为_______________。

（6）科学家从电解冶炼铝的工艺得到启发.找出了冶炼钛的新工艺。

①直接电解固体TiO₂法生产钛，原理如图所示，则阴极获得钛的电极反应为_____________。

②电解一段时间后，需要更换石墨电极，原因是_____________。

Answer

（1）除去Fe3＋；（2）b（3）过滤

（4）TiO2＋＋2H2OH2TiO3＋2H＋；由于水解反应吸热，升高温度有利于水解平衡向正反应方向移动，提高H2TiO3的产率（5）MnO2＋2Fe2＋＋4H＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O（6）①TiO2+4e-=Ti+2O2-；②O2--2e-+C=CO

【解析】

试题分析：流程分析：第①步加酸溶解生成TiO2+和Fe2+，第②步加铁粉还原Fe3+，过滤除去滤渣，第③步冷却结晶，过滤得到FeSO4•7H2O和含有TiO2+的溶液；第④步调节PH，使TiO2+水解生成Ti(OH)4，过滤得到Ti(OH)4；第⑤步Ti(OH)4受热分解生成化生成TiO2，最后电解TiO2得到钛。

（1）②中加入铁粉的主要目的是将Fe3+转化为Fe2+并防止Fe2+被氧化，故答案为：除去Fe3＋；

（2）步骤③中，利用绿矾与TiOSO4的溶解性的差异实现混合物的分离，把混合物的溶液冷却结晶得到绿矾固体，故答案为：b；

（3）步骤②、③、④中均为分离固液混合物的操作，则操作为过滤；故答案为：过滤；

（4）步骤④的离子方程式为TiO2＋＋2H2OH2TiO3＋2H＋；由于水解反应吸热，升高温度有利于水解平衡向正反应方向移动，提高H2TiO3的产率，因此该过程在热水中进行，故答案为：TiO2＋＋2H2OH2TiO3＋2H＋；由于水解反应吸热，升高温度有利于水解平衡向正反应方向移动，提高H2TiO3的产率；

（5）生产过程中的废液含有Fe2+，与MnO2发生氧化还原反应生成硫酸锰，其反应的离子方程式为：MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O，故答案为：MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O；

（6）①电解时，阴极上得电子发生还原反应，所以二氧化钛得电子生成钛和氧离子，和电源负极相连，电极反应式为TiO2+4e-=Ti+2O2-；故答案为：TiO2+4e-=Ti+2O2-；

②电解一段时间后，生成的氧气会与石墨电极反应生成CO，O2--2e-+C=CO，需要及时更换石墨电极，故答案为：O2--2e-+C=CO。

【考点定位】考查物质的制备的工艺流程

【名师点晴】本题以金属钛的制备为知识背景，考查学生对工艺流程理解、阅读题目获取信息能力、氧化还原反应及方程式的书写、电解原理的应用等，难度中等，理解工艺流程是关键，需要学生具有阅读题目获取信息能力和灵活运用基础知识分析问题、解决问题能力。