Question

5．二氧化钛是制取航天航空工业钛合金的重要原料．用钛铁矿[主要成分是钛酸亚铁（FeTiO₃），含少量Fe₂O₃、MgO、SiO₂等杂质]作原料生产金属钛和绿矾（FeSO₄•7H₂O）等产品的一种工艺流程如下：
已知：Ti有两种价态，在水溶液中主要以TiO²⁺（无色）、Ti³⁺（紫色）形式存在．

请回答下列问题：
（1）硫酸与FeTiO₃反应生成TiOSO₄的化学方程式是FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）滤液1中加入适量铁粉，至刚好出现紫色为止，此时溶液仍呈强酸性．
已知：氧化性：Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺．则加入铁粉的作用是使Fe³⁺完全还原为Fe²⁺；同时避免过量的铁将TiO²⁺还原成Ti³⁺，影响产品的纯度．
（3）滤液2中加入适量的试剂A，可选用b（填编号）．
a．稀H₂SO₄b．MgCO₃c．通入CO₂d．鼓入空气
（4）已知25℃，101kPa时，由二氧化钛制取四氯化钛所涉及的反应有：
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（s）+O₂（g）△H₃=+141kJ•mol^-1
反应TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（s）+2CO（g）△H=-80kJ•mol^-1．
（5）用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF₂-CaO作电解质，利用如图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛．写出阴极区反应的电极总反应式是TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

（6）假如FeTiO₃中的铁元素占矿物中铁元素总量的a%；某次生产中，向滤液1中加入纯铁粉为b kg，得到绿矾晶体的质量为cKg，整个过程中铁元素的总利用率为80%，Ti元素的转化率为90%，其他损失忽略不计．按上述流程，得到TiO₂（3.247ac-12.86ab）×10^-3kg（用数字和字母表示）．[已知：M（FeSO₄•7H₂O）=278g•mol^-1]．

Answer 1

分析 钛铁矿用硫酸溶液溶解，过滤得强酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反应的硫酸等，由图1可知TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入铁粉目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，沉降分离得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再浓缩蒸发得到绿矾与溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸镁，调节pH，TiO（OH）₂沉淀完全，再经过系列操作得到Ti．
（1）钛铁矿主要成分FeTiO₃与浓硫酸反应的主要产物是TiOSO₄和FeSO₄，结合原子守恒配平书写化学方程式；
（2）滤液1中加入适量铁粉至浸出液显紫色，说明浸出液中含有Ti³⁺；
（3）加入MgCO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品；
（4）根据盖斯定律进行计算；
（5）电解时，阴极发生还原反应生成Ti；
（6）根据FeTiO₃中铁与钛的关系及铁元素的守恒可计算．

解答 解：钛铁矿（主要成分FeTiO₃，含Fe₂O₃、SiO₂等杂质）加入浓硫酸加热反应得到固体熔块，加入水水浸，得到浸取液中加入铁屑防止亚铁离子被氧化为铁离子，过滤得到X晶体为为绿矾（FeSO₄•7H₂O）晶体和滤液TiOSO₄，加入水反应生成H₂TiO₃，高温煅烧得到二氧化钛，
（1）钛铁矿主要成分FeTiO₃与浓硫酸反应的主要产物是TiOSO₄和FeSO₄，结合原子守恒配平书写化学方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O，故答案为：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O；
（2）加入铁屑至浸出液显紫色，说明浸出液中含有Ti³⁺，加入铁屑作还原剂，将Fe³⁺还原为Fe²⁺，防止Ti³⁺被Fe³⁺氧化成TiO²⁺，故答案为：使Fe³⁺完全还原为Fe²⁺；同时避免过量的铁将TiO²⁺还原成Ti³⁺，影响产品的纯度；
（3）富含的TiO²⁺溶液，加入MgCO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，故答案为：b；
（4）由△H₃+△H₁×2-△H₂得：+141kJ•mol^-1+（-393.5kJ•mol^-1）×2-（-566kJ•mol^-1）=-80KJ/mol，故答案为：-80KJ/mol；
（5）电解时，阴极发生还原反应生成Ti，电极方程式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）由FeTiO₃中铁与钛的关系的钛的含量为：$\frac{48}{56}×a%$．
设铁元素总质量为xkg．
Fe～FeSO₄•7H₂O
56                                        278
xkg×80%                                ckg
x=$\frac{56c}{278×80%}$kg．
FeTiO₃中铁的质量为：（$\frac{56c}{278×80%}$kg-bkg）×a%．
又设得到TiO₂质量为为ykg．
Ti～TiO₂
48    80
（$\frac{56c}{278×80%}$kg-bkg）×a%×$\frac{48}{56}$×90%          y 
y=（3.247ac-12.86ab）×10^-3  kg            
故答案为：（3.247ac-12.86ab）×10^-3．

点评 本题考查了硫酸法制取二氧化钛实验，涉及物质提纯、分离、制备等流程分析判断，把握物质的性质、反应原理、实验技能、关系式计算为解答的关键，题目难度中等．