Question

5．金屬鈦（Ti）硬度大、熔點(diǎn)高、常溫下耐酸堿腐蝕，被譽(yù)為“未來金屬”．以鈦鐵礦[主要成分FeTiO₃，含F(xiàn)eO、Al₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)]為主要原料冶煉金屬鈦并獲得副產(chǎn)品綠礬（FeSO₄•7H₂O）的工業(yè)生產(chǎn)流程如圖1：

（1）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．試寫出反應(yīng)化學(xué)方程式：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)酸性溶液中． 25℃時，難溶電解質(zhì)溶解度（s）與pH關(guān)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(diào)節(jié)溶液pH至少為3；步驟Ⅲ加入鐵屑原因是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀．
（3）對溶液Ⅱ進(jìn)行加熱，同時加入Na₂CO₃粉末的作用加熱促進(jìn)TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促進(jìn)TiO²⁺水解；
（4）鈦白粉與氯氣、焦炭在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，還生成一種可燃性無色氣體，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式
TiO₂+2Cl₂+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ TiCl₄+2CO，該生產(chǎn)流程工藝中，可以循環(huán)使用的物質(zhì)為H₂SO₄（填化學(xué)式）
（5）Mg還原TiCl₄反應(yīng)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(jù)下表信息，需加熱的溫度略高于1412℃即可．

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

（6）為了測定綠礬中所含結(jié)晶水個數(shù)，可取樣品進(jìn)行灼燒，在灼燒時需要儀器除了三腳架、坩堝、石棉網(wǎng)、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(yīng)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(qiáng)酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)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(zhuǎn)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(fā)得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經(jīng)過系列操作得到Ti．
（1）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）步驟Ⅲ加入鐵屑，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全；
（3）TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)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(jìn)TiO²⁺水解，調(diào)節(jié)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(jìn)行反應(yīng)，還生成一種可燃性無色氣體，應(yīng)為CO，反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄發(fā)生水解生成硫酸；
（5）控制穩(wěn)定使混合物中Mg、MgCl₂轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，而Ti不能轉(zhuǎn)化為氣態(tài)；
（6）灼燒固體物質(zhì)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(yīng)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(qiáng)酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)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(zhuǎn)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(fā)得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH接近3，TiO（OH）₂沉淀完全，再經(jīng)過系列操作得到Ti．
（1）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(xué)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(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，
故答案為：3，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀；
（3）水解過程是吸熱反應(yīng)，加熱促進(jìn)TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移，TiO²⁺易水解，只能存在于強(qiáng)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(diào)節(jié)溶液pH值，促進(jìn)TiO²⁺水解，
故答案為：加熱促進(jìn)TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺ 右移； Na₂CO₃粉末消耗H⁺，促進(jìn)TiO²⁺水解；
（4）鈦白粉與氯氣、焦炭在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，還生成一種可燃性無色氣體，應(yīng)為CO，反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，TiOSO₄發(fā)生水解生成硫酸，可以循環(huán)使用的物質(zhì)為H₂SO₄，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；H₂SO₄．
（5）Mg、MgCl₂的沸點(diǎn)最高是1412℃，而Ti的熔點(diǎn)為1667℃，所以當(dāng)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(zhì)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(wǎng)、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(diǎn)評 本題綜合考查物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)、物質(zhì)分離提純、對操作的分析評價(jià)、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(xué)生具有一定分析和解決問題的能力，題目難度中等．