Question

9．鈦礦工業中的酸性廢水富含Ti、Fe等元素，其綜合利用如圖：
 
    已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中．
    （l）TiO²⁺鈦的化合價為+4
    （2）步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量的試劑是KSCN溶液．
    （3）操作a是蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾洗滌、干燥．
    （4）步驟Ⅲ中發生反應的化學方程式為FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑；反應溫度一般需控制在35℃以下，其目的是避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度．
    （5）已知K_sp（Fe（OH）₂）=8×10^-16s，步驟Ⅲ中，FeCO₃達到溶解平衡時，若室溫下測得溶液的pH為8.5，c（Fe²⁺）=1×10^-6 mol/L．試判斷所得的FeCO₃中沒有（填“有”或“沒有”）Fe（OH）₂；步驟Ⅳ中，為了得到較為純凈的Fe₂O₃，除了適當的溫度外，還需要采取的措施是向容器中補充適量的空氣．
    （6）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固體TiO₂•nH₂O．請結合原理和化學用語解釋其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移動．

Answer 1

分析 鈦礦工業中的酸性廢水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，加入鐵粉還原鐵離子得到亞鐵離子，通過蒸發濃縮、冷卻結晶過濾洗滌、干燥得到硫酸亞鐵晶體，配制成溶液調節溶液PH5-5.8范圍內，加入足量碳酸氫銨，過濾得到碳酸亞鐵沉淀，在坩堝中灼燒得到氧化鐵，過濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，以此解答該題．
（1）離子中個元素化合價代數和等于離子所帶電荷數計算，元素為-2價；
（2）步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量的試劑是檢驗是否含鐵離子；
（3）溶液中得到溶質固體的方法是蒸發濃縮、冷卻結晶過濾洗滌、干燥；
（4）步驟Ⅲ中發生反應是硫酸亞鐵和碳酸氫銨反應生成碳酸亞鐵沉淀、硫酸銨、二氧化碳和水，反應溫度一般需控制在35℃以下，是為了避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度；
（5）根據溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²與K_sp[Fe（OH）₂]比較，可判斷有無Fe（OH）₂沉淀，保證二價鐵被氧化為三價需要多通入空氣或氧氣；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動

解答 解：（1）離子中個元素化合價代數和等于離子所帶電荷數計算，元素為-2價，則TiO²⁺鈦的化合價為+4價，
故答案為：+4；
（2）步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量的試劑是檢驗是否含鐵離子，可以選擇加入KSCN溶液，溶液變紅色證明鐵加入不足，如溶液不變紅色證明鐵粉加入足量，
故答案為：KSCN溶液；
（3）操作a是溶液中得到溶質固體，方法是蒸發濃縮、冷卻結晶過濾洗滌、干燥，
故答案為：過濾洗滌、干燥；
（4）步驟Ⅲ中發生反應是硫酸亞鐵和碳酸氫銨反應生成碳酸亞鐵沉淀、硫酸銨、二氧化碳和水，反應的化學方程式為：FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑，反應溫度一般需控制在35℃以下，是為了避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度，
故答案為：FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑；避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度；
（5）室溫下測得溶液的pH為8.5，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.5}}$=1×10^-5.5，由題中數據可知，溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²=1×10^-6×（1×10^-5.5）²=1×10^-17＜K_sp[Fe（OH）₂]=8×10^-16，故無Fe（OH）₂沉淀生成，
故答案為：沒有；向容器中補充適量的空氣；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，
故答案為：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移動；

點評 本題考查物質的制備、為高考常見題型，側重于學生的分析能力、實驗能力的考查，注意把握實驗的原理和目的，為解答該類題目的關鍵，注意物質的性質，結合題給信息解答，難度中等．