Question

6．二氧化钛广泛应用于各类结构表面涂料、纸张涂层等，二氧化钛还可作为制备钛单质的原料．现在工业由以下两种方法制备二氧化钛：
方法1：可用含有Fe₂O₃、SiO₂的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，其中Ti元素化合价为+4价）制取，其主要工艺流程如下：

已知有关反应包括：酸溶FeTiO₃（s）+2H₂SO₄（aq）→FeSO₄（aq）+TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）水解TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）→H₂TiO₃（s）+H₂SO₄（aq）
（1）试剂A为铁粉，钛液Ⅰ需冷却至70℃左右，若温度过高会导致产品收率降低，原因是由于TiOSO₄容易水解，若温度过高，则会有较多TiOSO₄水解为固体H₂TiO₃而经过滤进入FeSO₄•7H₂O中导致TiO₂产率降低；
（2）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入盐酸并振荡，滴加KSCN溶液后无明显现象，再加H₂O₂后出现红色，说明H₂TiO₃中存在的杂质离子是Fe²⁺．这种H₂TiO₃即使用水充分洗涤，煅烧后获得的TiO₂会略发黄，发黄的杂质是Fe₂O₃（填化学式）．
方法2：
Ⅰ．将干燥后的金红石（主要成分TiO₂，主要杂质SiO₂）与碳粉混合装入氯化炉中，在高温下通入Cl₂反应制得混有SiCl₄杂质的TiCl₄；
Ⅱ．将SiCl₄分离，得到纯净的TiCl₄；
Ⅲ．在TiCl₄中加水、加热，水解得到沉淀TiO₂•xH₂O，洗涤和干燥；
IV．TiO₂•xH₂O高温分解得到TiO₂．
（3）TiCl₄水解生成TiO₂•x H₂O的化学方程式为TiCl₄+（x+2）H₂O（过量）=TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
（4）检验TiO₂•x H₂O中Cl^-是否被除净的方法是取少量水洗液，滴加硝酸酸化AgNO₃溶液，若不产生白色沉淀，说明Cl^-已除净；
金属钛被称为“21世纪金属”，工业制备金属钛是在800～900℃及惰性气体的保护下，在密闭反应器中，将TiCl₄以一定的流速通入通电熔化的镁即可．主要涉及以下反应：
①TiO₂+2Cl₂+C$\stackrel{高温}{→}$TiCl₄+CO₂
②TiCl₄+2Mg→2MgCl₂+Ti
（5）下列推断不合理的是BC
A．钛在高温下可能易与氧气反应
B．镁的熔点比钛的熔点高
C．钛的金属活动性比镁的金属活动性强
D．反应②产生的MgCl₂可作为电解法制取镁的原料
（6）请完成以TiO₂、Cl₂和焦炭为原料制取金属Ti和Mg的流程图，并用箭头标明物料循环．

Answer 1

分析 含有Fe₂O₃、SiO₂的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，其中Ti元素化合价为+4价）加硫酸，在90℃温度下，溶解，过滤，滤液中含有FeSO₄（aq）、TiOSO₄（aq）和Fe₂（SO₄）₃（aq），加铁粉（试剂A），把三价铁离子还原为亚铁离子，降温到70℃，结晶过滤，得到硫酸亚铁晶体，滤液为TiOSO₄（aq），滤液温度升高到90℃，使TiOSO₄水解生成H₂TiO₃固体，洗涤、干燥、煅烧得到TiO₂；
（1）由流程可知，温度高会促进TiOSO₄水解，若温度过高，则会有较多TiOSO₄水解为固体H₂TiO₃而进入绿矾晶体，损失钛元素；
（2）根据亚铁离子的检验操作和现象分析，亚铁离子遇到KSCN溶液不变红色，遇到氧化剂会出现红色证明亚铁离子的存在；根据Fe₂O₃的颜色分析，H₂TiO₃中的二价铁易被氧化为三价铁，煅烧时会生成Fe₂O₃；
（3）根据物质的性质和质量守恒定律书写化学方程式，设TiCl₄的系数为1，根据元素守恒，TiO₂•xH₂O的系数为1，HCl的系数为4；再根据O元素守恒，可知H₂O的系数为（2+x），配平得到化学方程式；
（4）检验沉淀是否洗净的方法是，取少量洗涤液，检验溶液中溶解的离子是否还存在氯离子；
（5）A．钛在高温下可能易与氧气反应生成二氧化钛；
B．镁易熔化熔点较低；
C．活泼性强的金属能置换活泼性弱的金属；
D．电解熔融的MgCl₂能制取镁；
（6）TiO₂、Cl₂和焦炭在高温条件下生成TiCl₄和CO₂，再用Mg单质置换TiCl₄得到Ti和MgCl₂，电解熔融的氯化镁又能得到Mg和氯气．

解答 解：含有Fe₂O₃、SiO₂的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，其中Ti元素化合价为+4价）加硫酸，在90℃温度下，溶解，过滤，滤液中含有FeSO₄（aq）、TiOSO₄（aq）和Fe₂（SO₄）₃（aq），加铁粉（试剂A），把三价铁离子还原为亚铁离子，降温到70℃，结晶过滤，得到硫酸亚铁晶体，滤液为TiOSO₄（aq），滤液温度升高到90℃，使TiOSO₄水解生成H₂TiO₃固体，洗涤、干燥、煅烧得到TiO₂；
（1）由流程可知，试剂A为铁粉；由题中信息可知，TiOSO₄容易水解，升高温度促进水解，若温度过高，则会有较多TiOSO₄水解为固体H₂TiO₃而经过滤进入FeSO₄•7H₂O中导致TiO₂产率降低；
故答案为：铁粉；由于TiOSO₄容易水解，若温度过高，则会有较多TiOSO₄水解为固体H₂TiO₃而经过滤进入FeSO₄•7H₂O中导致TiO₂产率降低；
（2）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入盐酸并振荡，滴加KSCN溶液后无明显现象，说明没有Fe³⁺，再加H₂O₂后出现红色，说明有Fe³⁺，则原来含有Fe²⁺，加H₂O₂后Fe²⁺被氧化为Fe³⁺；H₂TiO₃中的二价铁易被氧化为三价铁，煅烧时会生成Fe₂O₃，TiO₂含有少量的Fe₂O₃会呈现黄色；
故答案为：Fe²⁺；Fe₂O₃；
（3）设TiCl₄的系数为1，根据元素守恒，TiO₂•xH₂O的系数为1，HCl的系数为4；再根据O元素守恒，可知H₂O的系数为（2+x），方程式为TiCl₄+（x+2）H₂O?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，
故答案为：TiCl₄+（x+2）H₂O?TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
（4）沉淀吸附溶液中的Cl^-，根据发生反应：Cl^-+Ag⁺═AgCl↓，取最后一次的少量洗涤液，检验溶液中溶解的离子是否还存在，
故答案为：取最后一次的少量水洗液，滴加硝酸酸化的AgNO₃溶液，不产生白色沉淀，说明Cl^-已除净；
（5）A．工业制备金属钛是在800～900℃及惰性气体的保护下，说明钛在高温下可能易与氧气反应生成二氧化钛，故A正确；
B．镁易熔化熔点较低，镁的熔点比钛的熔点低，故B错误；
C．活泼性强的金属能置换活泼性弱的金属，Mg能置换Ti，说明Mg比Ti活泼，故C错误；
D．电解熔融的MgCl₂能制取镁，所以反应②产生的MgCl₂可作为电解法制取镁的原料，故D正确；
故答案为：BC；
（6）TiO₂、Cl₂和焦炭在高温条件下生成TiCl₄和CO₂，再用Mg单质置换TiCl₄得到Ti和MgCl₂，电解熔融的氯化镁又能得到Mg和氯气，则以TiO₂、Cl₂和焦炭为原料制取金属Ti和Mg的流程图为：，
故答案为：．

点评 本题考查学生对工艺流程理解、阅读题目获取信息能力、离子检验、水解原理的应用及方程式的书写等，难度中等，理解工艺流程是关键，需要学生具有阅读题目获取信息能力和灵活运用基础知识分析问题、解决问题能力．