Question

【題目】我國釩鈦磁鐵礦分布廣泛，儲量豐富，不僅是鐵的重要來源，其中伴生的鈦、釩、鋁等多種成分還具有很高的利用價值。其尾礦是工業提取鈦的重要來源

I.釩鈦磁鐵礦的尾礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量FeO、Al2O3、SiO2等雜質)經選礦后得到鈦精礦過一系列反應制得TiO2:

(1)氫氧化鈉凈化尾礦的目的是_________________________________。

(2)寫出鈦精礦中FeTiO3與80%硫酸溶液反應的化學方程式:___________________。

II.以TiO2為原料制備金屬鈦，流程如下:TiO2→TiCl4→Ti

(3)已知反應:TiO2(s)十2Cl2(g)=TiCl4(l)十O2(g) △H=十151kJ/mol，但不能由TiO2和Cl2直接反應(即氯化反應)來制取TiCl4試解釋原因:___________________________________。

(4)當往氯化反應體系中加入碳后，使得該反應在高溫條件下能順利制得TiCl4，從化學平衡的角度解釋其原因___________________________________________。

(5)己知碳的燃燒熱394kJ/mol，請寫出TiO2與Cl2、C反應制取TiCl4的熱化學方程式_____________。

III.以TiO2為原料可以制備Li4Ti5O12(一種鋰離子電池的電極材料)，過程如下:

(6)不同溫度下，TiO2·xH2O與雙氧水、氨水反應達到平衡所得實驗結果如下表所示:

溫度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O的轉化率	80%	90%	97%	93%	82%

該過程的理想溫度為_______________，分析表中數據，解釋TiO2·xH2O的轉化率隨溫度變化的原因:_______________________________________，該反應的離子方程式為________________________。

Answer 1

【答案】 除去Al2O3、SiO2等可與氫氧化鈉反應的雜質 2H2SO4十FeTiO3=TiOSO4十FeSO4十2H2O ΔH>0、ΔS<0得ΔG>0，反應難發生 碳與氧氣反應，減少了生成物的濃度，平衡正向移動，使得反應順利進行 TiO2(s)十2Cl2(g)十C(s)=TiCl4(s)十CO2(g) ΔH=-243kJ/mol 40℃ 30℃到40℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉化率fu增大，說明該反應是吸熱反應;40℃到50℃，溫度升高，TiO2·xH2O的轉化率降低，因為雙氧水不穩定易分解 5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+2NH4++(5x+5)H2O

【解析】(1)尾礦的主要成分為FeTiO3，還含有少量FeO、Al2O3、SiO2等雜質，根據這些物質的性質，FeTiO3和FeO不能與NaOH反應，而Al2O3和SiO2能與NaOH反應，所以加入NaOH除去Al2O3、SiO2等雜質；

(2)鈦精礦中FeTiO3和硫酸是反應物，生成物有TiOSO4，再根據質量守恒可寫出反應的化學方程式為2H2SO4+FeTiO3==TiOSO4+FeSO4+2H2O；

(3)根據熱化學方程式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，因此反應無法進行，故不能由TiO2和Cl2直接反應(即氯化反應)來制取TiCl4；

(4)當往氯化反應體系中加入碳時，在高溫下，碳與氧氣反應生成CO2氣體，減少了生成物的濃度，使平衡正向移動，反應才能順利進行下去；

(5)己知碳的燃燒熱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，兩式相加即得TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)= TiCl4(l) + CO2(g) △H=—243kJ/mol；

(6)由表中數據可知，在40℃時，TiO2·xH2O的轉化率最大，所以該過程的理想溫度為40℃；分析表中數據，從30℃到40℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉化率增大，說明該反應是吸熱反應；而40℃到50℃，隨溫度升高，TiO2·xH2O的轉化率減小，是因為雙氧水不穩定受熱易分解；由轉化關系可知TiO2·xH2O、H2O2和NH3·H2O是反應物，生成物為(NH4)2 Ti5O15，根據化合價升降規律，Ti元素化合價從+4價升高到+5.6價，則H2O2中氧元素化合價降低生成水，所以反應的離子方程式為5TiO2·xH2O+4H2O2+2NH3·H2O==Ti5O152-+ 2NH4+ + (5x+5)H2O。