Question

【題目】工業上用鈦精礦(主要成分TiO2，礦粉中含有Fe，Al，Si，V等氧化物)制備海綿鈦的基本思路是：氯化法生產TiCl4、還原、真空蒸餾法制備海綿鈦(Ti)。

已知：①氯化過程中，其他元素均轉化為最高價氯化物；

②熱還原過程中，可能會有副產物TiCl3；

③常見物質熔沸點

化合物	TiCl4	SiCl4	FeCl3	AlCl3	VOCl3	VOCl2	MgCl2	Ti	Mg
沸點	136	56	308	180(升華)	134	168	1412	3260	1090
熔點	-69	-25	304	190	-78.9	——	712	1668	648.9

回答下列問題：

(1)將鈦精礦粉粹的目的是：_______________

(2)氯化過程中，TiO2發生的化學方程式①是：_____________

(3)物質1是________，步驟②中金屬銅的作用是將VOCl3還原成VOCl2，其目的是_____________；

(4)工業上常用Mg或H2作還原劑，在Ar氣氛下采用熱還原法制海綿鈦。

①鎂不足時，TiCl4會因有副產物產生而導致產率會下降，副反應的化學方程式為_____________；此處采用真空蒸餾法除去海綿鈦中的Mg和MgCl2，不采用常壓蒸餾的原因是_______。

②根據圖象，計算1173K時，反應2H2+TiCl4 =Ti+4HCl的△G=_________。

(G為自由能，圖中△G是指在一定溫度下，由單質生成對應物質的量化合物時的自由能變化。設此溫度下，單質的生成自由能變化為0)

Answer 1

【答案】增大反應物的接觸面積，加快反應速率，提高原料利用率 TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO SiCl4 使VOCl3還原為較高沸點的VOCl2，便于分離提純TiCl4 3TiCl4+Ti4TiCl3 降低蒸餾溫度，避免鈦與空氣中的氧氣，氮氣等物質反應 +140 kJ/mol

【解析】

鈦精礦(主要成分TiO2，礦粉中含有Fe，Al，Si，V等氧化物)粉碎后與焦炭、Cl2在高溫下發生反應：TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO，雜質Fe生成FeCl3，Al生成AlCl3，V變為VOCl3，Si變為SiCl4；然后冷卻至室溫，得到的尾氣X主要含有CO，將粗TiCl4加入精餾塔1中加熱至60℃，根據表格中物質的沸點可知只有SiCl4沸點低于60℃，所以得到物質1為SiCl4；將其它液體物質加入精餾塔2中，再加入金屬Cu，并控制在一定溫度，發生反應：Cu+2VOCl32VOCl2+CuCl2，使VOCl3還原為較高沸點的VOCl2，便于分離提純TiCl4；將分離出VOCl2后的物質進入精餾塔3中，控制溫度在T3，收集136℃的餾分，就得到純凈的TiCl4，然后用Mg還原，經真空蒸餾得到海綿鈦。

(1)將鈦精礦粉粹的目的是增大反應物的接觸面積，加快反應速率，從而提高原料利用率；

(2)在氯化過程中，TiO2與C、Cl2在高溫下發生氧化還原反應，產生TiCl4、CO，反應的化學方程式①是：TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO；

(3)經上述分析可知物質1是沸點較低的SiCl4；步驟②中金屬銅的作用是與VOCl3發生氧化還原反應：Cu+2VOCl32VOCl2+CuCl2，從而可使VOCl3還原為較高沸點的VOCl2，便于分離提純TiCl4；

(4)①鎂不足時，TiCl4會與反應產生的Ti發生副反應：3TiCl4+Ti4TiCl3，因有副產物產生而導致產率會下降；此處采用真空蒸餾法除去海綿鈦中的Mg和MgCl2，而不采用常壓蒸餾是根據壓強對物質沸點的影響，真空蒸餾能夠降低蒸餾溫度，避免鈦與空氣中的氧氣，氮氣等物質反應；

②由于設此溫度下，單質的生成自由能變化為0，根據圖象可知，可知TiCl4的生成自由能為2×(-300) kJ/mol=600 kJ/mol，4 mol HCl的生成自由能為2×(-230 )kJ/mol=-460 kJ/mol，所以在1173K時，反應2H2+TiCl4 =Ti+4HCl的△G=600 kJ/mol-460 kJ/mol=+140 kJ/mol。