Question

5．金屬鈦（Ti）硬度大、熔點高、常溫下耐酸堿腐蝕，被譽為“未來金屬”．以鈦鐵礦[主要成分FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等雜質]為主要原料冶煉金屬鈦并獲得副產品綠礬（FeSO₄•7H₂O）的工業生產流程如圖1：

（1）鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成．試寫出反應化學方程式：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中． 25℃時，難溶電解質溶解度（s）與pH關系如圖2，TiO（OH）₂溶度積K_sp=1×10^-29，若溶液中殘留c（TiO²⁺）=1.0×10^-5 mol•L^-1，則調節溶液pH至少為3；步驟Ⅲ加入鐵屑原因是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀．
（3）對溶液Ⅱ進行加熱，同時加入Na₂CO₃粉末的作用加熱促進TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促進TiO²⁺水解；
（4）鈦白粉與氯氣、焦炭在高溫下進行反應，還生成一種可燃性無色氣體，寫出該反應的化學方程式
TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，該生產流程工藝中，可以循環使用的物質為H₂SO₄（填化學式）
（5）Mg還原TiCl₄反應后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸餾的方法分離得到Ti，依據下表信息，需加熱的溫度略高于1412℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔點/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸點/℃	136.4	1090	1412	3287

（6）為了測定綠礬中所含結晶水個數，可取樣品進行灼燒，在灼燒時需要儀器除了三腳架、坩堝、石棉網、坩堝鉗、酒精噴燈外還需要泥三角、玻璃棒．（填儀器名稱）

Answer 1

分析 鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應溶解，過濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應的硫酸等，由圖1可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經過系列操作得到Ti．
（1）鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，依據氧化還原反應分析，應生成硫酸亞鐵和水；
（2）步驟Ⅲ加入鐵屑，將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺；加入碳酸鈉溶液，促進TiO²⁺水解，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（4）鈦白粉與氯氣、焦炭在高溫下進行反應，還生成一種可燃性無色氣體，應為CO，反應的化學方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄發生水解生成硫酸；
（5）控制穩定使混合物中Mg、MgCl₂轉化為氣態，而Ti不能轉化為氣態；
（6）灼燒固體物質一般使用（瓷）坩堝，而坩堝加熱需要用泥三腳支撐然后放在三腳架上，三腳架下面放酒精燈，用玻璃棒攪拌防止局部受熱固體飛濺；

解答 解：鈦鐵礦用氫氧化鈉溶液溶解，氧化鋁、二氧化硅反應溶解，過濾得到鈦鐵礦精礦中主要含有FeTiO₃、FeO，再用濃硫酸處理，得到強酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應的硫酸等，由圖1可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調節pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經過系列操作得到Ti．
（1）鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，依據氧化還原反應分析，應生成硫酸亞鐵和水，反應的化學方程式為：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案為：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）由圖可知，pH=3時TiO（OH）₂已沉淀完全，由圖可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，
故答案為：3，將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀；
（3）水解過程是吸熱反應，加熱促進TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂與H⁺，離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；加入碳酸鈉溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是：調節溶液pH值，促進TiO²⁺水解，
故答案為：加熱促進TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移； Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促進TiO²⁺水解；
（4）鈦白粉與氯氣、焦炭在高溫下進行反應，還生成一種可燃性無色氣體，應為CO，反應的化學方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄發生水解生成硫酸，可以循環使用的物質為H₂SO₄，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；H₂SO₄．
（5）Mg、MgCl₂的沸點最高是1412℃，而Ti的熔點為1667℃，所以當溫度略高于1412℃時Mg、MgCl₂以氣體的形式除去，而得到Ti，
故答案為：1412；
（6）灼燒固體物質一般使用（瓷）坩堝，而坩堝加熱需要用泥三腳支撐然后放在三腳架上，三腳架下面放酒精燈，用玻璃棒攪拌防止局部受熱固體飛濺，在灼燒時需要儀器除了三腳架、坩堝、石棉網、坩堝鉗、酒精噴燈外還需要泥三角、玻璃棒，
故答案為：泥三角、玻璃棒．

點評 本題綜合考查物質制備實驗、物質分離提純、對操作的分析評價、電解原理等，注意分析工藝流程中試劑線、原理線、操作線，要求學生具有一定分析和解決問題的能力，題目難度中等．