Question

9．金屬鈦（Ti）因其硬度大、熔點(diǎn)高、常溫時(shí)耐酸堿腐蝕而被廣泛用作高新科技    材料，被譽(yù)為“未來(lái)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(shí)獲得副產(chǎn)品甲的工業(yè)生產(chǎn)流程如圖1

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）鈦酸亞鐵（用R表示）與碳在高溫下反應(yīng)的化學(xué)方程式為2R+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+2TiO₂+CO₂↑，鈦酸亞鐵的化學(xué)式為FeTiO₃；鈦酸亞鐵和濃H₂SO₄反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無(wú)氣體生成，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeTiO₃+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）上述生產(chǎn)流程中加入鐵屑的目的是防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺．此時(shí)溶液中含有 Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等陽(yáng)離子．常溫下，其對(duì)應(yīng)氫氧化物的K_sp如表所示．

氫氧化物	Fe（OH）2	TiO（OH）2	Mg（OH）2
Ksp	8.0×10-14	1.0×10-29	1.8×10-11

常溫下，若所得溶液中Mg²⁺的物質(zhì)的量濃度為0.0018mol/L，當(dāng)溶液的pH等于10時(shí)，Mg（OH）₂開(kāi)始沉淀．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T(mén)iO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂↓．
（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T(mén)iO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．Mg還原TiCl₄過(guò)程中必須在1070K的溫度下進(jìn)行，你認(rèn)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800～1000℃時(shí)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T(mén)iO₂ +4e^-=Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 鈦鐵礦用濃硫酸溶解，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，過(guò)濾得到濾液通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾得到溶液中含有 Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等陽(yáng)離子，冷卻結(jié)晶得到副產(chǎn)品主要為FeSO₄，濾液中加入水加熱過(guò)濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應(yīng)得到氯化鎂和鈦金屬．
（1）根據(jù)原子守恒確定鈦酸亞鐵的化學(xué)式；鈦酸亞鐵和濃H₂SO₄反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，還生成FeSO₄與水；
（2）加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺；
根據(jù)氫氧化鎂的溶度積計(jì)算溶液中OH^-濃度，再結(jié)合水的離子積計(jì)算c（H⁺），根據(jù)pH=-lgc（H⁺）計(jì)算；
TiO（OH）₂的溶度積最小，析出的白色沉淀為T(mén)iO（OH）₂；
（3）乙為T(mén)iO₂，與氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳；Mg能與空氣中氧氣、氮?dú)夥磻?yīng)，需要隔絕空氣；
金屬鈦（Ti）因其硬度大、熔點(diǎn)高、常溫時(shí)耐酸堿腐蝕，可以用稀鹽酸除外Mg；
（4）氧離子移向石墨，則石墨為陽(yáng)極，TiO₂為陰極，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，是TiO₂獲得電子生成Ti與O^2-．

解答 解：鈦鐵礦用濃硫酸溶解，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，過(guò)濾得到濾液通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾得到溶液中含有 Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等陽(yáng)離子，冷卻結(jié)晶得到副產(chǎn)品主要為FeSO₄，濾液中加入水加熱過(guò)濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應(yīng)得到氯化鎂和鈦金屬．
（1）鈦酸亞鐵（用R表示）與碳在高溫下反應(yīng)的化學(xué)方程式為2R+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+2TiO₂+CO₂↑，根據(jù)原子守恒，鈦酸亞鐵的化學(xué)式為 FeTiO₃；鈦酸亞鐵和濃H₂SO₄反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無(wú)氣體生成，還生成FeSO₄與水，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeTiO₃+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案為：FeTiO₃；FeTiO₃+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺；
溶液中Mg²⁺的物質(zhì)的量濃度為0.0018mol/L，析出氫氧化鎂時(shí)，溶液中c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1.8×1{0}^{-11}}{0.0018}}$mol/L=10^-4mol/L，則c（H⁺）=10^-10mol/L，則溶液pH=-lgc（H⁺）=10；
TiO（OH）₂的溶度積最小，溶液加水稀釋析出的白色沉淀為T(mén)iO（OH）₂，該反應(yīng)的離子方程式為：TiO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂↓，
故答案為：防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺；10；TiO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂↓；
（3）乙為T(mén)iO₂，與氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳，反應(yīng)方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
Mg能與空氣中氧氣、氮?dú)夥磻?yīng)，需要隔絕空氣進(jìn)行，
金屬鈦（Ti）因其硬度大、熔點(diǎn)高、常溫時(shí)耐酸堿腐蝕，可以用稀鹽酸除外Mg，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；隔絕空氣；稀鹽酸；
（4）氧離子移向石墨，則石墨為陽(yáng)極，TiO₂為陰極，則b為電源正極，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，是TiO₂獲得電子生成Ti與O^2-，陰極電極反應(yīng)式為：TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：正；TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)準(zhǔn)備工藝流程，涉及陌生方程式的書(shū)寫(xiě)、對(duì)操作與原理的分析評(píng)價(jià)、電解原理應(yīng)用等，側(cè)重考查學(xué)生的閱讀獲取信息、分析解決問(wèn)題的能力，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，題目難度較大．