Question

9．金屬鈦（Ti）因其硬度大、熔點高、常溫時耐酸堿腐蝕等性質被廣泛用在高新科技材料和航天領域中．
“硫酸法”生產鈦的原料是鈦鐵礦（主要成分是：FeTiO₃，還含有少量Mn、Cr等重金屬元素及脈石等雜質）；主要生產流程如圖：
已知反應：
①將鈦鐵礦與濃H₂SO₄共熱：FeTiO₃+2H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧鈦）+FeSO₄+2H₂O．
②加水熱分解硫酸氧鈦：TiOSO₄+（n+1）H₂O $\frac{\underline{\;△\;}}{\;}$TiO₂•nH₂O↓（鈦酸）+H₂SO₄．
請回答下列問題：
（1）副產品甲是FeSO₄•7H₂O，可循環利用的物質是硫酸．
（2）上述生產流程中加入鐵屑的目的是防止Fe²⁺被氧化，用離子方程式表示其原理：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．
（3）寫出中間產品乙與焦炭、氯氣在高溫下發生反應的方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．
（4）在稀有氣體（如氬）氛圍和高溫的條件下，用鎂和TiCl₄反應可得鈦．寫出反應的化學方程式：2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂稀有氣體氛圍的作用：防止鈦被氧化．
（5）“硫酸法”生產鈦排放的廢液對水體有哪些污染，請指出主要的兩點：
①酸污染；②重金屬離子（Cu²⁺、Cr³⁺等）污染．

Answer 1

分析 由流程可知，鈦鐵礦（主要成分是：FeTiO₃，還含有少量Mn、Zn、Cr、Cu等重金屬元素及脈石等雜質）中加入濃硫酸，FeTiO₃發生反應：FeTiO₃+2H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧鈦）+FeSO₄+2H₂O，鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化，溶液Ⅰ中含有FeSO₄和TiOSO₄，溶液Ⅱ主要含有TiOSO₄，加入水，加熱可水解生成H₂TiO₃，經煅燒可生成TiO₂，用氯氣、碳反應可生成TiCl₄，高溫條件下與鎂反應可生成Ti，
（1）根據流程可知副產品甲為FeSO₄•7H₂O，可循環利用的物質是硫酸；
（2）鐵能夠與鐵離子反應，加入鐵粉可防止鐵離子氧化；
（3）乙為TiO₂，反應物為乙為TiO₂、氯氣、C，反應產物為四氯化鈦和CO，反應條件為高溫，據此寫出反應的化學方程式；
（4）根據元素守恒可知，鎂和TiCl₄反應可得鈦和氯化鎂，據此寫化學方程式，鈦能被氧化；
（5）“硫酸法”排放的廢液為酸性，會產生酸污染；與Ti共存的其它重金屬的廢液對水體有污染，可以用熟石灰治理污染．

解答 解：鈦鐵礦（主要成分是：FeTiO₃，還含有少量Mn、Zn、Cr、Cu等重金屬元素及脈石等雜質）中加入濃硫酸，FeTiO₃發生反應：FeTiO₃+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$（濃）TiOSO₄（硫酸氧鈦）+FeSO₄+2H₂O，鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化，溶液Ⅰ中含有FeSO₄和TiOSO₄，溶液Ⅱ主要含有TiOSO₄，加入水，加熱可水解生成H₂TiO₃，經煅燒可生成TiO₂，用氯氣、碳反應可生成TiCl₄，高溫條件下與鎂反應可生成Ti，
（1）從流程圖硫酸與過量的鐵反應可知，副產品甲是FeSO₄•7H₂O，可循環利用的物質是硫酸，
故答案為：FeSO₄•7H₂O；硫酸；
（2）鐵可與Fe³⁺反應生成Fe²⁺，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化，離子方程式為2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，
故答案為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；
（3）中間產物乙為TiO₂，TiO₂與焦炭、氯氣在高溫下發生反應生成四氯化鈦和一氧化碳，反應的方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；
（4）根據元素守恒可知，鎂和TiCl₄反應可得鈦和氯化鎂，化學方程式為2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂，鈦能被氧化，所以稀有氣體氛圍能防止鈦被氧化，
故答案為：2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂；防止鈦被氧化；
（5）硫酸法生產鈦排放的廢液為酸性，會產生酸污染，并且與Ti共存的其它重金屬的廢液對水體有污染，
故答案為：①酸污染  ②重金屬離子（Cu²⁺、Cr³⁺等）污染．

點評 本題考查物質的制備實驗方案的設計，題目難度中等，試題側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，為高考常見題型，明確制備流程及反應原理為解答關鍵，注意把握實驗的基本原理和常見物質的性質．