Question

20．金属钛被誉为“21世纪金属”．工业上用钛矿石（FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等杂质）制得海绵钛的流程如下．

回答下列问题：
（1）要提高酸浸时钛矿石的溶解速率，请提供可行的措施粉碎矿石，加热反应物，酸浸时主要反应的化学方程式为2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）副产品中含有杂质[Al₂（SO4）₃]．要将副产品进一步提纯，请结合图1的绿矾溶解度曲线完成提纯过程：

将副产品溶于稀硫酸中，加入足量的铁粉，充分搅拌后，用NaOH溶液调节反应液的pH约为5，过滤沉淀后得到FeSO₄溶液，加热浓缩得到60℃饱和溶液，冷却至室温（或0℃）结晶，过滤，用冰水洗涤，低温干燥，得到FeSO₄•7H₂0晶体．
（3）高温时，由TiO₂转化为TiC1₄的化学方程式为TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．在一定条件下，将足量TiO₂（s）和固体炭放入密闭容器中，再通入C1₂进行反应至平衡，当改变外界条件时，TiC1₄（g）体积分数φ（TiCl₄）变化的趋势如图2所示，由图判断：①该反应的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②在750℃、100MPa和800℃、200MPa下C1₂的转化率分别为α₁、α₂，则α_1＞α₂  （填“＞”“＜”或“=”）．
（4）常温下，H₂TiO₃的沉淀溶解平衡为H₂TiO₃（s）?TiO²⁺（aq）+2OH^-（aq），其溶度积常数K_sp=1.0×10^-29mol³•L^-3．若在TiOSO₄溶液中加入NaOH溶液调pH使TiO²⁺完全沉淀（当离子浓度等于或小于10^-5mol•L^-1时可认为完全沉淀），则此时溶液的pH至少为2．

Answer 1

分析 钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等杂质），钛铁矿和浓硫酸混合，钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，浓硫酸具有强氧化性，+2价Fe具有还原性，则+2价Fe被浓硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、铁屑，发生反应2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降过滤，滤液中溶质为TiOSO₄和FeSO₄，将滤液冷却结晶得到绿矾FeSO₄•7H₂O，TiOSO₄溶液加入水并加热，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后过滤回收硫酸，同时得到H₂TiO₃，煅烧H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，TiO₂能和氯气、C在高温下发生氧化还原反应生成TiCl₄，则乙是TiO₂，在高温条件下，用Mg和四氯化钛发生置换反应生成Ti．
（1）提高浸出率可从浓度、温度、接触面积等影响化学反应速率的角度解答；FeTiO₃与酸反应生成FeSO₄、TiOSO₄、H₂O；
（2）FeSO₄溶液加热蒸发浓缩，放在冰水中冷却，冷却结晶，之后过滤，洗涤，低温烘干得到FeSO₄•7H₂0晶体；
（3）TiO₂可与焦炭、氯气在高温时反应，该反应中氧化剂为氯气，还原剂为碳，产物为TiC1₄和CO，根据得失电子守恒书写方程式；
①升高温度，平衡向吸热的方向移动，从图示可知，温度越高，TiC1₄（g）体积分数φ（TiCl₄）越低；
②正反应为放热反应，温度越高，转化率越低，正反应为体积增大的反应，压强越大，转化率越低；
（4）应满足c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，以此计算溶液的c（OH^-），可确定溶液的pH．

解答 解：（1）提高浸出率，可增大硫酸浓度、升高温度、边加硫酸边搅拦、增加浸出时间、粉碎成细颗粒，增大接触面积增大反应速率等，酸浸时反应物有硫酸、FeTiO₃，生成物有FeSO₄、TiOSO₄、H₂O，反应方程式为：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，离子方程式为FeTiO₃+6H⁺=Fe²⁺+Ti⁴⁺+3H₂O，
故答案为：粉碎矿石，加热反应物；2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）根据金属离子沉淀的pH值，然后通过滴加NaOH溶液调节pH至5.0把Al³⁺除去，过滤，即得到FeSO₄溶液，加热浓缩得到60℃饱和溶液，然后放在冰水中冷却至室温，冷却结晶，之后过滤，洗涤，低温烘干，
故答案为：加热浓缩得到60℃饱和溶液，冷却至室温（或0℃）结晶；
（3）TiO₂可与焦炭、氯气在高温时反应，该反应中氧化剂为氯气，还原剂为碳，C化合价变化（0→+2），Cl化合价变化（0→-1），根据得失电子守恒，氧化剂氯气，还原剂碳，它们的物质的量相等，则反应的方程式为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
故答案为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；
①从图示可知，温度越高，TiC1₄（g）体积分数φ（TiCl₄）越低，说明正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：＜；
②从图示可知，正反应为放热反应，温度越高，转化率越低，800℃转化率低，正反应为体积增大的反应，压强越大，平衡向逆反应方向移动，转化率越低，所以α₁＞α₂，
故答案为：＞；
（4）当离子浓度等于或小于10^-5mol•L^-1时可认为完全沉淀，c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，c²（OH^-）≥$\frac{1.0×1{0}^{-29}}{1.0×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）≥1.0×10 ^-12mol/L，c（H⁺）≥1.0×10 ^-2mol/L，PH=2，
故答案为：2．

点评 本题借助制得海绵钛的流程，考查了方程式书写、化学平衡的影响因素、难溶电解质的溶解平衡计算等知识，为高频考点和高考常见题型，充分考查了学生的综合能力，本题难度中等．