Question

5．金属钛（Ti）硬度大、熔点高、常温下耐酸碱腐蚀，被誉为“未来金属”．以钛铁矿[主要成分FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质]为主要原料冶炼金属钛并获得副产品绿矾（FeSO₄•7H₂O）的工业生产流程如图1：

（1）钛铁矿精矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成．试写出反应化学方程式：FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中． 25℃时，难溶电解质溶解度（s）与pH关系如图2，TiO（OH）₂溶度积K_sp=1×10^-29，若溶液中残留c（TiO²⁺）=1.0×10^-5 mol•L^-1，则调节溶液pH至少为3；步骤Ⅲ加入铁屑原因是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀．
（3）对溶液Ⅱ进行加热，同时加入Na₂CO₃粉末的作用加热促进TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促进TiO²⁺水解；
（4）钛白粉与氯气、焦炭在高温下进行反应，还生成一种可燃性无色气体，写出该反应的化学方程式
TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，该生产流程工艺中，可以循环使用的物质为H₂SO₄（填化学式）
（5）Mg还原TiCl₄反应后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸馏的方法分离得到Ti，依据下表信息，需加热的温度略高于1412℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔点/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸点/℃	136.4	1090	1412	3287

（6）为了测定绿矾中所含结晶水个数，可取样品进行灼烧，在灼烧时需要仪器除了三脚架、坩埚、石棉网、坩埚钳、酒精喷灯外还需要泥三角、玻璃棒．（填仪器名称）

Answer 1

分析 钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有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，加入碳酸钠溶液，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再经过系列操作得到Ti．
（1）钛铁矿精矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，依据氧化还原反应分析，应生成硫酸亚铁和水；
（2）步骤Ⅲ加入铁屑，将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺；加入碳酸钠溶液，促进TiO²⁺水解，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（4）钛白粉与氯气、焦炭在高温下进行反应，还生成一种可燃性无色气体，应为CO，反应的化学方程式为TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄发生水解生成硫酸；
（5）控制稳定使混合物中Mg、MgCl₂转化为气态，而Ti不能转化为气态；
（6）灼烧固体物质一般使用（瓷）坩埚，而坩埚加热需要用泥三脚支撑然后放在三脚架上，三脚架下面放酒精灯，用玻璃棒搅拌防止局部受热固体飞溅；

解答 解：钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有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，加入碳酸钠溶液，调节pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再经过系列操作得到Ti．
（1）钛铁矿精矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，依据氧化还原反应分析，应生成硫酸亚铁和水，反应的化学方程式为：FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案为：FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）由图可知，pH=3时TiO（OH）₂已沉淀完全，由图可知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，
故答案为：3，将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀；
（3）水解过程是吸热反应，加热促进TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺，离子方程式为：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；加入碳酸钠溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是：调节溶液pH值，促进TiO²⁺水解，
故答案为：加热促进TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移； Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促进TiO²⁺水解；
（4）钛白粉与氯气、焦炭在高温下进行反应，还生成一种可燃性无色气体，应为CO，反应的化学方程式为TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄发生水解生成硫酸，可以循环使用的物质为H₂SO₄，
故答案为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；H₂SO₄．
（5）Mg、MgCl₂的沸点最高是1412℃，而Ti的熔点为1667℃，所以当温度略高于1412℃时Mg、MgCl₂以气体的形式除去，而得到Ti，
故答案为：1412；
（6）灼烧固体物质一般使用（瓷）坩埚，而坩埚加热需要用泥三脚支撑然后放在三脚架上，三脚架下面放酒精灯，用玻璃棒搅拌防止局部受热固体飞溅，在灼烧时需要仪器除了三脚架、坩埚、石棉网、坩埚钳、酒精喷灯外还需要泥三角、玻璃棒，
故答案为：泥三角、玻璃棒．

点评 本题综合考查物质制备实验、物质分离提纯、对操作的分析评价、电解原理等，注意分析工艺流程中试剂线、原理线、操作线，要求学生具有一定分析和解决问题的能力，题目难度中等．