Question

5．[探究一]為測定鈦鐵礦（含F(xiàn)eTiO₃，鈦酸亞鐵）中可提取氧的質量分數(shù)，某研究性學習小組設計了如圖兩套實驗裝置：（注：可提取氧指的是可被H₂、C轉化為H₂O、CO₂的氧原子）

（1）已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，學生甲設想用圖-1裝置（A為電加熱裝置）從鈦鐵礦中提取氧．請寫出FeTiO₃在加熱時被H₂還原的化學方程式：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O
（2）已知FeTiO₃被C還原后生成Fe、TiO₂和CO₂，學生乙設想用圖-2裝置（A為電加熱裝置）從鈦鐵礦中提取氧，并且認為該方案的意義在于：反應產(chǎn)生的CO₂可通過綠色植物的光合作用轉化為營養(yǎng)物質，同時產(chǎn)生氧氣：
6CO₂+6H₂O $\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂．實驗過程中，稱得反應前裝置A中鈦鐵礦的質量為ag，炭粉的質量為bg，反應后裝置B中產(chǎn)生CaCO₃的質量為cg，則鈦鐵礦中可提取氧的質量分數(shù)的表達式為$\frac{32c}{100a}$．
（3）經(jīng)專家評審后，認定兩個方案都很有意義，但實驗設計方面還存在不足之處，例如圖-2裝置在加熱時，生成的CO₂不可能全部被澄清石灰水吸收，同時鈦鐵礦和炭粉在加熱時還會產(chǎn)生CO，給實驗帶來誤差．
①請對學生乙的設想提出改進措施：改用圖-1裝置加熱鈦鐵礦和炭粉，并在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃燒管，在B之后增加在B之后增加盛堿石灰的干燥管．
②改進后，實驗自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂的目的是反應前將裝置中的空氣趕出，反應開始后可將CO₂及時趕出使之被堿石灰吸收．
[探究二]納米TiO₂作為一種光催化劑越來越受到人們的關注，現(xiàn)正廣泛開發(fā)運用．
（4）某科研小組在不同的載體（鈦片、鋁片、陶瓷）表面制備二氧化鈦薄膜，來考察不同載體TiO₂薄膜光催化使甲基橙脫色，每次光照20min取一次樣，實驗結果如圖-3所示，下列說法正確的是bd．（雙選）
（a）不同載體，無論何種溫度一定是鈦片最好
（b）約在520℃時，鈦片載體的光催化活性最好
（c）無論何種載體，催化活性總是隨溫度的升高而升高
（d）不同負載TiO₂薄膜的光催化活性不同．

Answer 1

分析 （1）已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，反應的化學方程式為：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；
（2）根據(jù)關系式：CaCO₃～CO₂～O₂，計算鈦鐵礦中可提取氧的質量分數(shù)；
（3）①對學生乙的設想提出改進措施：改用圖1裝置，為了CO充分反應生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃燒管；為了防止空氣中的CO₂進入U型管B，在B之后增加盛堿石灰的干燥管；②實驗自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂，反應前可以將裝置中的空氣趕出，反應開始后可將CO₂及時趕出使之被堿石灰吸收；
（4）根據(jù)圖中脫色率與溫度關系解題．

解答 解：（1）已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，反應的化學方程式為：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；故答案為：FeTiO₃+H₂ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe+TiO₂+H₂O；
（2）根據(jù)關系式：CaCO₃～CO₂～O₂，鈦鐵礦中可提取氧的物質的量為$\frac{c}{100}$mol，則鈦鐵礦中可提取氧的質量分數(shù)的表達式為$\frac{32c}{100a}$，故答案為：$\frac{32c}{100a}$；
（3）①對學生乙的設想提出改進措施：改用圖1裝置，為了CO充分反應生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃燒管；為了防止空氣中的CO₂進入U型管B，在B之后增加盛堿石灰的干燥管；
故答案為：CuO粉末；在B之后增加盛堿石灰的干燥管；
②改進后，實驗自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂，反應前可以將裝置中的空氣趕出，反應開始后可將CO₂及時趕出使之被堿石灰吸收；
故答案為：反應前將裝置中的空氣趕出，反應開始后可將CO₂及時趕出使之被堿石灰吸收；
（4）a．由圖知，500度以下鈦片最差，故a錯誤；
b．由圖知，在520℃時，脫色率最高，鈦片載體的光催化活性最好，故b正確；
c．520℃后鈦片催化活性隨溫度的升高而較低，故c錯誤；
d．由圖知，相同溫度時，不同的載體（鈦片、鋁片、陶瓷），TiO₂薄膜的光催化活性不同，故d正確．
故選bd．

點評 本題考查鈦鐵礦中可提取氧的質量分數(shù)，設計實驗方案的設計與改進，難度中等，明確實驗原理是解題的關鍵．