Question

TiO₂在工業生產和日常生活中有重要用途。
（1）工業上用鈦礦石（FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等雜質）經過下述反應制得：

其中，步驟②發生的主要反應為：2H₂SO₄+FeTiO₃ ="=" TOSO₄（硫酸氧鈦）+FeSO₄+2H₂O
凈化鈦礦石時，需用濃氫氧化鈉溶液來處理。寫出該過程中發生反應的化學方程式：________________。
步驟③中加熱的目的是（請寫出必要的化學方程式和文字）:             。
（2）用TiO₂制備金屬鈦的一種方法是先將TiO₂與Cl₂、C反應得到TiCl₄，再用鎂還原得到Ti。因下述反應難于發生：TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g） △H＝+151 kJ/mol。所以不能直接由TiO₂和Cl₂反應（即氯化反應）來制取TiCl₄，請說明判斷該反應難以發生的理由是_______。當往氯化反應體系中加入碳后，反應在高溫條件下能順利進行生成TiCl₄。
已知：C（s）+O₂（g）＝CO₂（g）   △H=394 kJ/mol。
則TiO₂（s）+C（s）+2Cl₂（g）＝TiCl₄（1）+CO₂（g） △H=________
從化學平衡的角度解釋：往氯化反應體系中加入碳時，氯化反應能順利進行的原因是_______________。
（3）下圖是一種染料敏化太陽能電池的示意圖。電池的一個由有機光敏染料（S）涂覆TiO₂納米晶體表面制成，另一電極由導電玻璃鍍鉑構成，電池中發生的反應為：

TiO₂/STiO₂/S^*（激發態）
TiO₂/S^* TiO₂/S⁺ + e^-
I₃^-+2e^-3I^-
2TiO₂/S^*+I₃^-  2TiO₂/S + I₃^-
下列關于該電池敘述正確的是        

A．電池工作時，I-離子在鍍鉑導電玻璃電極上放電

B．電池工作時，是將太陽能轉化為電能

C．電池的電解質溶液中I-和I3- 濃度不會減少

D．電池中鍍鉑導電玻璃為正極

Answer 1

（共14分）（1）Al₂O₃ + 2NaOH＝2NaAlO₂ + H₂O （2分） SiO₂ + 2NaOH＝Na₂SiO₃ + H₂O（2分）
TiOSO₄的水解TiOSO₄ + 2H₂OH₂TiO₃↓+ H₂SO₄是一個吸熱反應，加熱促進TiOSO₄水解趨于完全。（2分） （2）該反應的△H＞0，△S＜0，反應難以自發進行（2分）；－243kJ/mol（2分）；TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g） 碳與氧氣反應，減小了產物O₂（g）的濃度，平衡向正反應方向移動，使反應能順利進行（1分） （3）BCD（3分）

試題分析：（1）由于鈦礦石中含有氧化鋁和二氧化硅，氧化鋁是兩性氫氧化物，二氧化硅是酸性氧化物，它們均能和氫氧化鈉溶液反應，所以該過程中發生反應的化學方程式是Al₂O₃ + 2NaOH＝2NaAlO₂ + H₂O、SiO₂ + 2NaOH＝Na₂SiO₃ + H₂O。步驟③是TiOSO₄的水解生成鈦酸的過程，由于TiOSO₄的水解TiOSO₄ + 2H₂OH₂TiO₃↓+ H₂SO₄是一個吸熱反應，因此加熱的目的是促進TiOSO₄水解趨于完全。（2）根據反應的方程式可知，該反應是吸熱的、體積減小的可逆反應，即該反應的△H＞0，△S＜0， 所以反應難以自發進行；根據反應①TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g）和反應②C（s）+O₂（g）＝CO₂（g）并結合蓋斯定律可，①＋②即得到TiO₂（s）+C（s）+2Cl₂（g）＝TiCl₄（1）+CO₂（g） ，所以該反應的反應熱△H＝＋151 kJ/mol－394 kJ/mol＝－243kJ/mol。由于碳與氧氣反應，減小了產物O₂（g）的濃度，使可逆反應TiO₂（s）+2Cl₂（g）TiCl₄（1）+O₂（g）向正反應方向移動，所以能使反應能順利進行。
（3）根據圖中電子的移動方向可知，在外電路中電子由負極流向正極，即半導材料TiO₂與染料為原電池的負極，鉑電極為原電池的正極，電解質為I₃^－和I^－的混合物，I₃^－在正極上得電子被還原，正極反應為I₃^－+2e^－＝3I^－。則
A、電池工作時，I^＝離子在鉑電極上放電，發生氧化反應，A不正確；
B. 該電池是將太陽能轉化為電能的裝置，故B正確；
C. 將已知的4個反應合并即得到總反應I₃^－3I^－，所以電池的電解質溶液中I^-和I₃^- 濃度不會減少，C正確；
D.電池中鍍鉑導電玻璃為正極，D正確，答案選BCD。