Question

18．金屬鈦（Ti）因其硬度大、熔點高、常溫時耐酸堿腐蝕而被廣泛用作高新科技材料，被譽為“未來金屬”．以鈦鐵礦（主要成分鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦同時獲得副產(chǎn)品甲的工業(yè)生產(chǎn)流程如圖1．

請回答下列問題．
（1）鈦酸亞鐵（用R表示）與碳在高溫下反應(yīng)的化學方程式為2R+C═2Fe+2TiO₂+CO₂↑，鈦酸亞鐵的化學式為FeTiO₃；鈦酸亞鐵和濃H₂SO₄反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無氣體生成，該反應(yīng)的化學方程式為FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（2）上述生產(chǎn)流程中加入鐵屑的目的是防止Fe²⁺氧化．此時溶液Ⅰ中含有Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等陽離子．常溫下，其對應(yīng)氫氧化物的K_sp如下表所示．

氫氧化物	Fe（OH）2	TiO（OH）2	Mg（OH）2
Ksp	8.0×10-16	1.0×10-29	1.8×10-11

①常溫下，若所得溶液中Mg²⁺的物質(zhì)的量濃度為0.0018mol/L，當溶液的pH等于10時，Mg（OH）₂開始沉淀．
②若將含有Fe²⁺、TiO²⁺和Mg²⁺的溶液加水稀釋，立即析出大量白色沉淀，該反應(yīng)的離子方程式為TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺）．
（3）中間產(chǎn)品乙與焦炭、氯氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)制取TiCl₄的方程式為TiO₂+2C+2Cl₂=TiCl₄+2CO．Mg還原TiCl₄過程中必須在1070K的溫度下進行，你認為還應(yīng)該控制的反應(yīng)條件是隔絕空氣．除去所得金屬鈦中少量的金屬鎂可用的試劑是稀鹽酸．
（4）在800～1 000℃時電解TiO₂也可制得海綿鈦，裝置如圖2所示．圖中b是電源的正極，陰極的電極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-═Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 鈦鐵礦和濃硫酸混合，鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無氣體生成，濃硫酸具有強氧化性，+2價Fe具有還原性，則+2價Fe被濃硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、鐵屑，發(fā)生反應(yīng)2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過濾，濾液I中溶質(zhì)為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結(jié)晶得到副產(chǎn)品甲和溶液II，根據(jù)流程圖中溶液II中含有TiOSO₄，則副產(chǎn)品甲為綠礬FeSO₄•7H₂O，先將溶液II中加入水并加熱，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后過濾回收硫酸，同時得到H₂TiO₃，煅燒H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，乙能和氯氣、C在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成TiCl₄，則乙是TiO₂，在高溫條件下，用Mg和四氯化鈦發(fā)生置換反應(yīng)生成Ti；
（1）根據(jù)化學方程式為2R+C═2Fe+2TiO₂+CO₂↑，結(jié)合原子守恒可確定鈦酸亞鐵的化學式，鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無氣體生成，依據(jù)氧化還原反應(yīng)分析，應(yīng)生成硫酸亞鐵和水；
（2）鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化；
①依據(jù)氫氧化鎂的溶度積常數(shù)進行計算即可；
②已知TiO²⁺發(fā)生水解生成鈦酸（H₂TiO₃）沉淀，根據(jù)元素守恒寫出反應(yīng)的離子方程式；
（3）TiO₂與焦炭、氯氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)制取TiCl₄，同時得到CO氣體，根據(jù)電子守恒和原子守恒可得此反應(yīng)的化學方程式，防止碳與氧氣反應(yīng)，應(yīng)可絕空氣加熱，除去鈦中混有的鎂，可根據(jù)金屬的活潑性選擇稀鹽酸溶解鎂；
（4）電解池的陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)；電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)；電解TiO₂也可制得海綿鈦，變化是二氧化鈦在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)．

解答 解：鈦鐵礦和濃硫酸混合，鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無氣體生成，濃硫酸具有強氧化性，+2價Fe具有還原性，則+2價Fe被濃硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、鐵屑，發(fā)生反應(yīng)2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過濾，濾液I中溶質(zhì)為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結(jié)晶得到副產(chǎn)品甲和溶液II，根據(jù)流程圖中溶液II中含有TiOSO₄，則副產(chǎn)品甲為綠礬FeSO₄•7H₂O，先將溶液II中加入水并加熱，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后過濾回收硫酸，同時得到H₂TiO₃，煅燒H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，乙能和氯氣、C在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成TiCl₄，則乙是TiO₂，在高溫條件下，用Mg和四氯化鈦發(fā)生置換反應(yīng)生成Ti；
（1）根據(jù)原子守恒可知鈦酸亞鐵的化學式為FeTiO₃，鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無氣體生成，依據(jù)氧化還原反應(yīng)分析，應(yīng)生成硫酸亞鐵和水，反應(yīng)的化學方程式為：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案為：FeTiO₃；FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化，故答案為：防止Fe²⁺氧化；
①K_sp[Mg（OH）₂]=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=1.8×10^-11，故c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1.8×1{0}^{-11}}{0.0018}}$=10^-4，故c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-4}}$=10^-10mol/L，故此時pH=10，故答案為：10；
②已知TiO²⁺發(fā)生水解生成鈦酸（H₂TiO₃）沉淀和氫離子，其離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，故答案為：TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺ ）；
（3）中間產(chǎn)品乙與焦炭、氯氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)制取TiCl₄的方程式為TiO₂+2C+2Cl₂=TiCl₄+2CO，防止碳與氧氣反應(yīng)，應(yīng)可絕空氣加熱，可用稀鹽酸溶解鎂除去鈦中混有的鎂，
故答案為：TiO₂+2C+2Cl₂=TiCl₄+2CO；隔絕空氣；稀鹽酸；
（4）電解池的陽極是氧離子發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，導致氧氣等氣體的出現(xiàn)，所以電極反應(yīng)式為：2O^2-→O₂↑+4e^-，電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，是二氧化鈦電極本身得電子的過程，即TiO₂+4e^-→Ti+2O^2-；電解池中，電解質(zhì)里的陰離子O^2-、Cl^-均移向陽極，
故答案為：正；TiO₂+4e^-→Ti+2O^2-．

點評 本題考查物質(zhì)的制備實驗方案的設(shè)計，側(cè)重于學生的分析能力和實驗?zāi)芰Φ目疾椋瑸楦呖汲Ｒ婎}型，難度中等，注意把握實驗的基本原理和物質(zhì)的性質(zhì)．