Question

工業上，以鈦鐵礦為原料制備二氧化鈦的工藝流程如下圖所示．鈦鐵礦主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），其中一部分鐵元素在風化過程中會轉化為+3價．

已知：TiOSO₄遇水會水解．
（1）步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉化為Fe²⁺的反應的離子方程式為______．
（2）步驟③中，實現混合物的分離是利用物質的______（填字母序號）．
a．熔沸點差異　　　　　 b．溶解性差異　　　　　c．氧化性、還原性差異
（3）步驟②、③、④中，均需用到的操作是______（填操作名稱）．
（4）請結合化學用語用化學平衡理論解釋步驟④中將TiO²⁺轉化為H₂TiO₃的原理：______．
（5）可以利用生產過程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應生產硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），該反應的離子方程式為______．
（6）研究發現，可以用石墨作陽極、鈦網作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質，利用如下圖所示裝置獲得金屬鈣，并以鈣為還原劑，還原二氧化鈦制備金屬鈦．

①寫出陽極所發生反應的電極反應式：______．
②在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，其原因是（請結合化學用語解釋）______．

Answer 1

解：（1）故答案為：步驟②中，用鐵粉將Fe³⁺轉化為Fe²⁺的反應的離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，故答案為：2Fe³⁺+Fe═3Fe²⁺；
（2）步驟③冷卻結晶得到硫酸亞鐵晶體，利用的是物質溶解度的不同，通過冷卻熱飽和溶液得到，故答案為：b；
（3）②③④步驟的操作過程中都得到沉淀或晶體，所以需要過濾得到固體和溶液，故答案為：過濾；
（4）④中使用熱水的目的是促進TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當加入熱水稀釋、升溫后，
平衡正向移動，生成H₂TiO₃；
故答案為：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當加入熱水稀釋、升溫后，平衡正向移動，生成H₂TiO₃．
（5）利用生產過程中的廢液與軟錳礦（主要成分為MnO₂）反應生產硫酸錳（MnSO₄，易溶于水），利用二氧化錳的氧化性氧化亞鐵離子為三價鐵離子，反應的離子方程式為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（6）①用石墨作陽極、鈦網作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質，陽極發生氧化反應，陰極析出鈣金屬發生還原反應，陽極圖示產物可可知，陽極生成二氧化碳氣體，是電解質中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應生成的二氧化碳，所以電極反應為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制備TiO₂時，在電解槽發生如下反應：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
或：制備TiO₂時，在電解槽發生如下反應：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽極：2O^2--4e^-═O₂↑；2Ca+TiO₂ Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變；
故答案為：制備TiO₂時，在電解槽發生如下反應：2CaO═2Ca+O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．
分析：（1）鐵粉將Fe³⁺轉化為Fe²⁺；
（2）溶液中析出晶體是利用物質溶解度的不同得到；
（3）②③④都是從溶液中得到固體的分離過程，需要用過濾裝置；
（4）依據溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影響因素和平衡移動原理分析判斷；
（5）廢液主要是亞鐵離子、氫離子和二氧化錳反應發生氧化還原反應生成錳離子和鐵離子；
（6）①依據裝置圖分析判斷，陽極生成二氧化碳氣體，是電解質中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應生成的二氧化碳；
②制備TiO₂時，在電解槽發生如下反應：陰極：2Ca²⁺+4e^-═2Ca 陽極：2O^2--4e^-═O₂↑，2Ca+TiO₂Ti+2CaO，由此可見，CaO的量不變．
點評：本題考查了物質分離的流程分析判斷，物質性質的應用，離子性質的應用，分離操作的方法，氧化還原反應的離子方程式的書寫方法，電解池原理的應用，電極反應的書寫原則．