Question

我国钒钛磁铁矿分布广泛，储量丰富，不仅是铁的重要来源，其中伴生的钛、钒、铝等多种成分还具有很高的利用价值。其尾矿是工业提取钛的重要来源

I.钒钛磁铁矿的尾矿(主要成分为FeTiO₃，还含有少量FeO、Al₂O₃、SiO₂ 等杂质) 经选矿后得到钛精矿过一系列反应制得TiO₂:

(1)氢氧化钠净化尾矿的目的是_________________________________。

(2)写出钛精矿中FeTiO₃与80%硫酸溶液反应的化学方程式:___________________。

II.以TiO₂ 为原料制备金属钛，流程如下: TiO₂→TiCl₄→Ti

(3)已知反应:TiO₂(s)十2Cl₂(g)=TiCl₄(l)十O₂(g) △H=十151kJ/mol，但不能由TiO₂和Cl₂直接反应(即氯化反应)来制取TiCl₄试解释原因:___________________________________。

(4)当往氯化反应体系中加入碳后，使得该反应在高温条件下能顺利制得TiCl₄，从化学平衡的角度解释其原因___________________________________________。

(5)己知碳的燃烧热394kJ/mol，请写出TiO₂ 与Cl₂、C反应制取TiCl₄的热化学方程式_____________。

III.以TiO₂为原料可以制备Li₄Ti₅O₁₂(一种锂离子电池的电极材料)，过程如下:

(6)不同温度下，TiO₂·xH₂O与双氧水、氨水反应达到平衡所得实验结果如下表所示:

温度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O 的转化率	80%	90%	97%	93%	82%

该过程的理想温度为_______________，分析表中数据，解释TiO₂·xH₂O的转化率随温度变化的原因:_______________________________________，该反应的离子方程式为________________________。

Answer

除去Al2O3、SiO2等可与氢氧化钠反应的杂质 2H2SO4十FeTiO3=TiOSO4十FeSO4十2H2O ΔH>0、ΔS<0得ΔG>0，反应难发生 碳与氧气反应，减少了生成物的浓度，平衡正向移动，使得反应顺利进行 TiO2(s)十2Cl2(g)十C(s)=TiCl4(s)十CO2(g) ΔH=-243kJ/mol 40℃ 30℃到40℃，随温度升高，TiO2·xH2O的转化率fu增大，说明该反应是吸热反应;40℃到50℃，温度升高，TiO2·xH2O的转化率降低，因为双氧水不稳定易分解 5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+2NH4++(5x+5)H2O

【解析】(1)尾矿的主要成分为FeTiO3，还含有少量FeO、Al2O3、SiO2等杂质，根据这些物质的性质，FeTiO3和FeO不能与NaOH反应，而Al2O3和SiO2能与NaOH反应，所以加入NaOH除去Al2O3、SiO2等杂质；

(2)钛精矿中FeTiO3和硫酸是反应物，生成物有TiOSO4，再根据质量守恒可写出反应的化学方程式为2H2SO4+FeTiO3==TiOSO4+FeSO4+2H2O；

(3)根据热化学方程式TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H= +151kJ/mol，可知△H>0，△S<0，所以△G=△H-T△S>0，因此反应无法进行，故不能由TiO2和Cl2直接反应(即氯化反应)来制取TiCl4；

(4)当往氯化反应体系中加入碳时，在高温下，碳与氧气反应生成CO2气体，减少了生成物的浓度，使平衡正向移动，反应才能顺利进行下去；

(5)己知碳的燃烧热394kJ/mol，即C(s)+O2(g)=CO2(g) △H=-394kJ/mol， 又TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H=+151kJ/mol，两式相加即得TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)= TiCl4(l) + CO2(g) △H=—243kJ/mol；

(6)由表中数据可知，在40℃时，TiO2·xH2O 的转化率最大，所以该过程的理想温度为40℃；分析表中数据，从30℃到40℃，随温度升高，TiO2·xH2O的转化率增大，说明该反应是吸热反应；而40℃到50℃，随温度升高，TiO2·xH2O的转化率减小，是因为双氧水不稳定受热易分解；由转化关系可知TiO2·xH2O、H2O2和NH3·H2O是反应物，生成物为(NH4)2 Ti5O15，根据化合价升降规律，Ti元素化合价从+4价升高到+5.6价，则H2O2中氧元素化合价降低生成水，所以反应的离子方程式为5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+ 2NH4+ + (5x+5)H2O。