Question

TiO₂俗稱鈦白粉，用途廣泛，現正廣泛開發，將來有機會成為新工業。工業上利用TiO₂制備金屬鈦的流程如下。

已知：I．
Ti(s)＋O₂(g)=TiO₂(s)                       △H=－946 kJ·mol^－1
2C(s)＋O₂(g)=2CO(g)                       △H=－221 kJ·mol^－1
Ti(s)＋2Cl₂(g)=TiCl₄(g)                    △H=－815 kJ·mol^－1
II．某溫度下各物質的沸點如下：

物質	TiCl4	FeCl3	SiCl4	AlCl3
沸點/℃	136	310	56.5	180

 
回答下列問題：
（1）在氯化工序中發生反應：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) 。試計算其反應的△H=       kJ?mol^－1；反應的平衡常數表達式K=             ，在下圖中作出TiCl₄達到平衡后百分含量隨溫度的變化趨勢圖。

（2）氯化過程中帶入的副產物有FeCl₃、SiCl₄和AlCl₃，可用      方法獲得較純凈的TiCl₄。
（3）TiO₂與Cl₂反應：TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+151kJ?mol^－1。該反應在高溫條件下但難以發生，但加入碳后反應能順利進行，試解析上述原因                                        
(4)還原工序要在惰性氣體的氣氛中進行的理由是_______________________。
（5）制取Ti的新工藝是用二氧化鈦作陰極，以石墨為陽極，以CaCl₂熔鹽做電解質（在熔融狀態下能傳導O^2－），電解而得到Ti，該工藝具有操作簡單，成本低，無污染等優點，寫出電解制備金屬鈦時陰極的電極反應式：               。

Answer 1

（16分）
（1）—90 （2分）；
（平衡常數2分，作圖2分，共4分）

（2）蒸餾(分餾) （2分）
（3）降低生成物O₂濃度，平衡向正方向移動 （或者碳與氧氣反應放熱，升高溫度，導致平衡向吸熱反應方向或正反應方向移動，3分）
（4）防止高溫下Na(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂)作用（2分）
（5）TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－ （3分）

試題分析：（1）先將已知熱化學方程式編號為①②③，觀察發現③—①+②可以約去Ti(s)、O₂(g)，根據蓋斯定律，可以得到熱化學方程式：TiO₂(s)+2Cl₂(g)+2C(s)TiCl₄(g)+2CO (g) △H=－90 kJ·mol^－1；根據平衡常數定義可知，；由于正反應的△H=－90 kJ·mol^－1，正反應是放熱反應，升高溫度，平衡向吸熱反應方向或逆反應方向移動，則TiCl₄的百分含量逐漸減小，即隨著溫度的升高，TiCl₄的百分含量逐漸減��；（2）讀表中信息，TiCl₄的沸點與雜質相差較大，因此可以利用沸點差異大的性質，選擇蒸餾或分餾進行分離提純；（3）從外界條件對化學平衡移動的角度分析，加入碳后，碳能與氧氣反應生成二氧化碳，即C(s)+O₂(g)=CO₂(g)，減小氧氣濃度，使平衡向正反應方向移動；同時碳與氧氣反應放出熱量，使體系溫度升高，由于正反應是吸熱反應，則升溫平衡向正反應方向移動；（4）還原工序中加入的鈉是強氧化劑，容易被空氣中氧氣或水、二氧化碳等物質氧化，在惰性氣體氛圍中能防止高溫下Na(Ti)與空氣中的O₂(或CO₂)作用，提高鈦的產率；（5）根據電解原理，陰極的主要反應物和產物分別是二氧化鈦和單質鈦，即TiO₂→Ti；由于鈦元素由+4價降為0價，得到4個電子，則TiO₂+4e^—→Ti；由于內電路中熔融電解質中氧離子可以傳導，因此用氧離子使左右電荷守恒，即TiO₂+4e^—→Ti+2O^2—；所以，陰極反應式為TiO₂+4e^－=Ti+2O^2－。