Question

13．以钛铁矿（主要成分：FeTiO₃）和硫酸铵为主要原料，联合制取金属钛和摩尔盐的生产流程如图所示：

（1）生产时需在洗液中加入某种物质A，物质A的化学式Fe．
（2）TiO²⁺ 转化为TiO₂反应的离子方程式为TiO²⁺+H₂O=TiO₂+2H⁺，写出反应①的化学反应方程式TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄（g）+2CO（g）
（3）为确定摩尔盐的化学式，进行如下实验：
现称取4.704g新制摩尔盐，溶于水配制成100.00mL溶液，再将该溶液分成两等份．向其中一份溶液中加入足量Ba（OH）₂溶液，搅拌，再用足量稀盐酸处理沉淀物，过滤、洗涤和干燥，得白色固体2.796g．
另一份溶液用0.0500 mol•L^-1 K₂Cr₂O₇酸性溶液滴定，Cr₂O₇^2-被还原为Cr³⁺，滴定终点时消耗K₂Cr₂O₇溶液的体积为20.00mL．
①25℃时，K_sp（BaSO₄）=1.1×10^-10，若要使溶液中SO₄^2-沉淀完全（即该离子浓度≤1×10^-5mol•L^-1）．则此时需保持溶液中c（Ba²⁺）≥1.1×10^-5mol•L^-1
②确定该摩尔盐的化学式（NH₄）₂Fe（SO₄）₂•6H₂O[或（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]（写出计算过程）

Answer 1

分析 钛铁矿和浓硫酸混合时发生反应为FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，亚铁离子不稳定，易被氧化，为防止亚铁离子被氧化，需要加入A物质且不能引进新的杂质，所以A是Fe；然后经过控温冷却结晶并过滤得到绿矾和含有TO²⁺的滤液，向滤液中调节溶液pH，利用水解得到TiO₂，二氧化钛在高温条件下和氯气、C反应生成四氯化钛，高温条件下，四氯化钛和镁发生置换反应生成Ti；将绿矾溶解于硫酸铵溶液可结晶得到摩尔盐；
（1）根据分析可判断A物质的化学式；
（2）依据水解的定义，TiO²⁺水解结合水电离出的OH^-，生成的H₂TiO₃不稳定分解得到TiO2，结合电荷守恒和原子守恒得到此水解反应的离子方程式；反应①为TiO₂在高温下与过量氯气和焦炭的作用下生成TiCl₄和CO，结合原子守恒和电子守恒可得到此反应的化学方程式；
（3）①25℃时，K_sp（BaSO₄）=1.1×10^-10，若要使溶液中SO₄^2-离子沉淀完全（即该离子浓度须小于1×10^-5 mol•L^-1），则c（Ba²⁺）=$\frac{{K}_{sp}（BaS{O}_{4}）}{c（{SO}_{4}^{2-}）}$，再根据Ba原子守恒计算c[（Ba（OH）₂]；
②摩尔盐和氢氧化钡反应生成硫酸钡、氨气、氢氧化亚铁，氢氧化亚铁不稳定，被氧化生成氢氧化铁红褐色沉淀，然后用足量稀盐酸溶解沉淀，最后得到的白色沉淀是BaSO₄，n（BaSO₄）=$\frac{2.796g}{233g/mol}$=0.012mol，
6Fe²⁺+Cr₂O₇^2-+14H⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O
6     1
n     0.0500mol•L^-1×0.020L
n（Fe²⁺）=0.001 mol×6=0.006mol
根据电荷守恒得n（NH₄⁺）+2n（Fe²⁺）=2n（SO₄^2-），n（NH₄⁺）=0.012mol，
n（H₂O）=$\frac{\frac{4.704}{2}g-0.012mol×96g/mol-0.012mol×18g/mol-0.006mol/L×56g/mol}{18g/mol}$=0.036mol，
根据各微粒的物质的量之比确定化学式．

解答 解：钛铁矿和浓硫酸混合时发生反应为FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，亚铁离子不稳定，易被氧化，为防止亚铁离子被氧化，需要加入A物质且不能引进新的杂质，所以A是Fe；然后经过控温冷却结晶并过滤得到绿矾和含有TO²⁺的滤液，向滤液中调节溶液pH，利用水解得到TiO₂，二氧化钛在高温条件下和氯气、C反应生成四氯化钛，高温条件下，四氯化钛和镁发生置换反应生成Ti；将绿矾溶解于硫酸铵溶液可结晶得到摩尔盐；
（1）由分析可判断A是为了防止Fe2+氧化，同时不引入杂质离子，应选择铁，故答案为：Fe；
（2）TiO²⁺ 转化为TiO₂反应的离子方程式为TiO²⁺+H₂O=TiO₂+2H⁺，反应①是二氧化钛在高温条件下和氯气、C反应生成四氯化钛，此反应的化学反应方程式为TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄（g）+2CO （g），
故答案为：TiO²⁺+H₂O=TiO₂+2H⁺；TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄（g）+2CO （g）；
（3）①25℃时，K_sp（BaSO₄）=1.1×10^-10，若要使溶液中SO₄^2-离子沉淀完全（即该离子浓度须小于1×10^-5 mol•L^-1），则c（Ba²⁺）=$\frac{{K}_{sp}（BaS{O}_{4}）}{c（{SO}_{4}^{2-}）}$=$\frac{1.1×1{0}^{-10}}{1{0}^{-5}}$mol/L=1.1×10^-5mol•L^-1，再根据Ba原子守恒得c[（Ba（OH）₂]=c（Ba²⁺）=1.1×10^-5mol•L^-1，
故答案为：1.1×10^-5；
②摩尔盐和氢氧化钡反应生成硫酸钡、氨气、氢氧化亚铁，氢氧化亚铁不稳定，被氧化生成氢氧化铁红褐色沉淀，然后用足量稀盐酸溶解沉淀，最后得到的白色沉淀是BaSO₄，n（BaSO₄）=$\frac{2.796g}{233g/mol}$=0.012mol，
6Fe²⁺+Cr₂O₇^2-+14H⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O
6     1
n     0.0500mol•L^-1×0.020L
n（Fe²⁺）=0.001 mol×6=0.006mol
根据电荷守恒得n（NH₄⁺）+2n（Fe²⁺）=2n（SO₄^2-），n（NH₄⁺）=0.012mol，
n（H₂O）=$\frac{\frac{4.704}{2}g-0.012mol×96g/mol-0.012mol×18g/mol-0.006mol/L×56g/mol}{18g/mol}$=0.036mol，
n（SO₄^2-）：n（Fe²⁺）：n（NH₄⁺）：n（H₂O）=0 012 mol：0 006 mol：0 012mol：0036 mol=2：1：2：6，故莫尔盐的化学式为：（NH₄）₂Fe（SO₄）₂•6H₂O[或（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]，
故答案为：（NH₄）₂Fe（SO₄）₂•6H₂O[或（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]．

点评 本题以物质的制备为载体，考查物质制备实验方案设计和组成分析，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确各个物理量之间的关系是解本题关键，题目难度中等．