2017-2018高中化学竞赛辅导(试题、讲解及答案)--钛和稀土元素(word版附答案)

元素化学 32：钛和稀土元素

（时间：2.5 小时 满分：100 分）

第一题（18 分）回答一组理论性问题

1．在绝大多数化合物中镧系元素是以＋3 价态存在的，但有时在少数几种离子型化合物中 也 能发现 Ce 4＋和 Eu 2＋，试用价电子构型解释这些离子的变价行为？

2．美国哥伦比亚大学的科学家根据对沉积物中稀土元素钕（Nd ）的分析发现，北大西洋 和

太平洋海水中的 143Nd 和 144Nd 比例差异很明显，由此得出周围大陆的岩石中 143Nd 和 144Nd 含 量不同的结论。该结论在地理学上有什么意义？

3．为什么镧系元素的氧化物 Ln 2O 3 不具有同 Al 2O 3 一样的酸性？

4．金属在水溶液中的还原性强弱，在一定程度上取决于金属的升华能、电离能和气态金 属 离子的水合能三者之和。例如 25℃时：

Eu （铕） Yb （镱） Lu （镥）

升华能＋电离能（kJ/mol ） 4236.9 4372.7 4362.6

水合能（kJ/mol ） 3623.1 3848.3 3844.3

根据上表所列数据，判断 3 种金属还原性的强弱顺序。

5．三氧化铀是一种两性氧化物，它在溶液中可以以 UO 2＋ 和 U 2O 72－形式存在，按要求写 出 UO 3 与强酸、强碱反应的离子方程式：

（1）UO 3 表现酸性：

（2）UO 3 表现碱性：

6．化学中经常会使用到类比的方法，镧系元素铕（Eu ）的电子结构为[Xe]4f 76s 2，有＋2、 ＋3 的氧化态，当用 Zn 、M g 还原 Eu 3＋（aq ）离子，可以得到 Eu 2＋（aq ）离子

（1）Eu 2＋（aq ）离子是否有颜色？为什么？

（2）EuSO 4 与 EuCO 3 是否易溶于水？

（3）Eu 2＋（aq ）能否与 EDTA 形成配离子，与 Eu 3＋相比有何不同？

色长 770～620 620～600 600～580 580～490 490～450 450～400 波

是以―Ti ―O ―Ti ―长链存在。在 Ti (IV)中加入 H 2O 2，pH ＜1 时，为[Ti(O 2)(OH)(H 2O)4] 单核配 5．写出由金红石（TiO 2）制取单质 Ti 的反应方程式，并计算该反应的ΔH 。 已知：①C(s) 7．已知：[Ti(H 2O)6]3 ＋中钛的晶体场分裂能为 2.86eV （1）试根据计算得出[Ti(H 2O)6]3＋的颜色：（光色所对应的波长列于下表）

光 红 橙 黄 绿 蓝－ 紫 靛

（2）[Ti(H 2O)6]2 ＋却不能仅根据分裂能得出其颜色，解释原因。

8．Ti (IV)在水中的形式为[Ti(OH)2(H 2O)4]2 ，在 TiOSO 4·H 2O 晶体中不存在简单的 TiO 2 ，

＋

＋

＋

离子，呈红色；pH ＝1～3 时，为 Ti 2O 52 ＋

，为双核配离子，呈橙黄色。

（1）画出 Ti O 2＋的可能结构；

2 5

（2）解释颜色；

第二题（10 分）钛的存在、性质与制备

钛虽被列为稀有元素，但在地壳中的丰度中高居第 10 位；钛 的 化合物是第一过渡系中最难被还原为金属的化合物，在电化学法 建 立之前，还原钛化合物只能采用价格昂贵的强还原剂。以金红石 为 原料制备金属钛时，首先通过氯化法制得四氯化钛，然后在右图 所 示装置中还原制得海绵钛，海绵钛再经真空电弧熔炼得钛锭。

1．指出钛在自然界中的存在形式；

2．钛有多种优异性质，除密度比钢轻外，还有 2 大显著优点 是 什么？

3．溶解金属钛的最好试剂是氢氟酸，写出反应方程式。

4．利用金属钛对空气的强大吸收力，几乎可以形成真空。写出钛加热时吸收空气的反应 方 程式；

（ ＋O 2(g)＝CO 2(g)；△H ＝－393.5kJ/mol ；②2CO(g)＋O 2(g)＝2CO 2(g)； △H ＝－566kJ/mol ；③ TiO (s)＋2Cl (g)＝TiCl (s)＋O (g)；H ＝＋141kJ/mol ）

6．写出右上图中的反应方程式；指出在Ar气氛中进行的理由。

7．具有钙钛矿型晶体结构的BaTiO

3

是最重要的电陶瓷材料，以TiO2为主要原料，通过高温固相反应制得。写出反应方程式。

第三题（10分）稀土元素及其制备

钇、钪和镧系一起称为稀土元素（Rareearth Elements缩写符号RE），由稀土化合物制取稀土金属采用熔盐电解法和金属热还原法。在生产上，首先要将稀土氯化物晶体RECl3·6H2O脱水制取RECl3，脱水温度为200～300℃。脱水时会有部分稀土氧氯化物REOCl（红色）生成，这种难熔的物质会使电解时的熔体粘度增大，导电性降低，并使析出的金属液滴不易从盐相中聚集和离析出来。这些悬浮的REOCl在电解时大部分会沉积于电解槽的底部，将阴极金属覆盖住，使电解难以继续进行，故称红色的REOCl为“红泥”，“红泥”不被电解。

镧系元素的原子半径与原子序数的关系镧系金属的熔点与原子序数的关系

么?1．请据图分析：

（1）镧系元素总体半径减小，为什么？

（2）解释63、70号元素在半径和熔点上出现偏差的原因。

2．熔盐电解法和金属热还原法制取稀土金属一般采用稀土氯化物而不是氧化物，为什么？3．脱水时产生的REOCl是哪类化合物？

4．为防止REOCl的生成，脱水可在NH

4

C1存在下进行。试用化学反应方程式予以解释。

5．电解所取的原料虽然是无水RECl

3

，但在电解时熔融电解质中仍有“红泥”产生。为什