Question

13．鈦礦工業(yè)中的硫酸酸性廢水富含Ti、Fe等元素，其綜合利用如圖下：

已知：TiO²⁺易水解生成TiO₂•nH₂O，故TiO²⁺只能存在于強(qiáng)酸性溶液中．
（l）TiO²⁺中鈦元素的化合價(jià)為+4．
（2）步驟I中可能發(fā)生的反應(yīng)離子方程式為Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂．
（3）操作a依次是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾（或過濾、洗滌）．
（4）步驟Ⅲ中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑，該反應(yīng)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_ap[Fe（OH）₂]=8×10^-16．步驟Ⅲ中，F(xiàn)eCO₃達(dá)到溶解平衡時(shí)，若室溫下測(cè)得溶液的pH為8.5，c（Fe²⁺）=1×10^-5mol/L．判斷所得的Fe₂CO₃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(dāng)?shù)臏囟韧�，還需要采取的措施是向容器中補(bǔ)充適量的空氣．
（6）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末易得到固體TiO₂•nH₂O．原理是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(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），促進(jìn)水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移動(dòng)．

Answer 1

分析 鈦礦工業(yè)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(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶過濾洗滌、干燥得到硫酸亞鐵晶體，配制成溶液調(diào)節(jié)溶液PH5-5.8范圍內(nèi)，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(yīng)，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(dòng)，可得到TiO₂粗產(chǎn)品，以此解答該題．

解答 解：（1）離子中個(gè)元素化合價(jià)代數(shù)和等于離子所帶電荷數(shù)計(jì)算，元素為-2價(jià)，則TiO²⁺鈦的化合價(jià)為+4價(jià)，
故答案為：+4；
（2）加入鐵粉，首先發(fā)生Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，其次發(fā)生Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂，故答案為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂；
（3）操作a是溶液中得到溶質(zhì)固體，方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶過濾洗滌、干燥，
故答案為：過濾（或過濾、洗滌）；
（4）步驟Ⅲ中發(fā)生反應(yīng)是硫酸亞鐵和碳酸氫銨反應(yīng)生成碳酸亞鐵沉淀、硫酸銨、二氧化碳和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑，反應(yīng)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(cè)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(shù)據(jù)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(bǔ)充適量的空氣；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應(yīng)，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(dòng)，可得到TiO₂粗產(chǎn)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(yīng)，降低了溶液中c（H⁺），促進(jìn)水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移動(dòng)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作方法的綜合應(yīng)用，為高考常見題型，題目難度較大，側(cè)重于學(xué)生的分析能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，注意把握�?shí)驗(yàn)的原理和目的，為解答該類題目的關(guān)鍵，注意物質(zhì)的性質(zhì)，結(jié)合題給信息解答，試題有利于提高學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>