Question

15．钛被称为“二十一世纪金属”，工业上用钛铁矿制备金属钛的工艺流程如下：

已知：钛铁矿主要成分与浓硫酸反应的主要产物是TiOSO₄和FeSO₄，TiOSO₄遇水会水解．
请回答下列问题：
（1）操作1用到的玻璃仪器除烧杯外还有漏斗、玻璃棒，操作2是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，副产品主要成分的化学式为FeSO₄
（2）请结合化学用语解释将TiO²⁺转化为H₂TiO₃的原理溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，当加热升温后，平衡正向移动，生成H₂TiO₃
（3）已知钛的还原性介于铝和锌之间，估计钛能耐腐蚀的原因之一是钛表面形成一层致密的氧化膜（或钛的内部结构紧密），如果可从Za、Zn、Fe三种金属中选一种金属代替流程中的镁，那么该金属跟四氯化钛反应的化学方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+4NaCl
（4）电解TiO₂来获得Ti是以TiO₂作阴极，石墨为阳极，熔融CaO为电解质，用碳块作电解槽，其阴极反应的电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-
（5）为测定溶液中TiOSO₄的含量，首先取待测钛液10mL用水稀释至100mL，加过量铝粉，充分振荡，使其完全反应：3TiO²⁺+Al+6H⁺═3Ti³⁺+AlO³⁺+3H₂O，过过滤后，取出滤液20.00mL，向其中滴加2～3滴KSCN溶液作指示剂，用酸式滴定管（填一种玻璃仪器的名称）滴加0.1000mol•L^-1FeCl₃溶液，发生Ti³⁺+Fe³⁺═Ti⁴⁺+Fe²⁺，当溶液出现红色达到滴定终点，用去了30.00mLFeCl₃溶液，待测钛液中TiOSO₄的物质的量浓度是1.50mol•L^-1．

Answer 1

分析 用浓硫酸处理钛铁矿，并向所得溶液中加入大量水稀释后加入过量铁粉还原铁离子，过滤得到滤液通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到TiO²⁺滤液，和副产品FeSO₄，滤液中加入水加热过滤得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加热灼烧得到TiO₂，加入氯气、过量碳高温加热反应生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化钛和金属镁高温加热反应得到氯化镁和钛金属，
（1）操作1为过滤，操作2的实验步骤为：蒸发浓缩、冷却结晶，加入过量铁屑后溶液中含有Fe²⁺离子，依据原子守恒可知产物为硫酸亚铁，则过滤后可得FeSO₄•7H₂O（或FeSO₄），滤渣为过量的铁屑和不溶物脉石；
（2）依据溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影响因素和平衡移动原理分析判断；
（3）根据金属铝的氧化物的性质结合信息来回答，金属钠的活泼性强，可以用于金属的冶炼；
（4）根据电解原理：阴极上是发生得电子的还原反应；
（5）准确滴加氯化铁溶液可使用酸式滴定管；根据元素守恒计算待测钛液中TiOSO₄的物质的量．

解答 解：用浓硫酸处理钛铁矿，并向所得溶液中加入大量水稀释后加入过量铁粉还原铁离子，过滤得到滤液通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到TiO²⁺滤液，和副产品FeSO₄，滤液中加入水加热过滤得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加热灼烧得到TiO₂，加入氯气、过量碳高温加热反应生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化钛和金属镁高温加热反应得到氯化镁和钛金属．
（1）操作1为过滤用到的玻璃仪器除烧杯外还有漏斗、玻璃棒，操作2的实验步骤为：蒸发浓缩、冷却结晶，加入过量铁屑后溶液中含有Fe²⁺离子，则过滤后可得FeSO₄•7H₂O（或FeSO₄），副产品主要成分的化学式为FeSO₄，故答案为：漏斗、玻璃棒；蒸发浓缩、冷却结晶；FeSO₄；
（2）加热的目的是促进TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分离出固体加热得到TiO₂；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，当加热升温后，
平衡正向移动，生成H₂TiO₃；
故答案为：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，当加热升温后，平衡正向移动，生成H₂TiO₃；
（3）钛的还原性介于铝与锌之间，氧化铝是一层致密的氧化膜，估计钛能耐腐蚀的原因钛表面形成一层致密的氧化膜（或钛的内部结构紧密）；活泼金属钠可以将金属钛置换出来：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+4NaCl，Zn、和Fe都是不可以的，活泼性差，
故答案为：钛表面形成一层致密的氧化膜（或钛的内部结构紧密）；TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+4NaCl；
（4）因TiO₂作阴极，得到电子，被还原，TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-，得到单质Ti，
故答案为：TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-；
（5）准确滴加氯化铁溶液可使用滴定管，氯化铁有较强的氧化性，应用酸式滴定管；
设滤液Ti³⁺的物质的量为x，
Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（无色）+Fe²⁺+2H⁺
1                    1
x    0.1000mol•L^-1×0.03L
解得x=0.1000mol•L^-1×0.03L=0.003mol
则待测钛液中TiOSO₄的物质的量=0.003mol×5=0.015mol
根据c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.015mol}{0.01L}$=1.50 mol•L^-1，
故答案为：酸式滴定管；1.50 mol•L^-1．

点评 本题以框图推断的形式结合化学实验和元素化合物的相关知识考查学生的阅读、分析、提取信息解决问题的能力，主要是化学工艺流程，题目难度较大，做题时注意从物质的性质角度结合题中信息解答．