Question

11．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FeTiO₃，鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦同時獲得副產品甲的工業(yè)生產流程如圖，回答下列問題：

（1）鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成．反應的化學方程式為FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）上述生產流程中加入Fe屑的目的是防止Fe²⁺氧化．
（3）此時溶液Ⅰ中含有Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等陽離子．常溫下

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常溫下若將溶液中Mg²⁺的物質的量濃度為 0.0018mol/L，當溶液的pH等于防止Fe²⁺氧化時，Mg²⁺開始沉淀．
②若將含有Fe²⁺、TiO²⁺和Mg²⁺的溶液加水稀釋，立即析出一種白色沉淀，寫出該反應的離子方程式：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺； TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺．
（4）Mg還原TiCl₄過程中必須在1070K的溫度下進行，還需要的條件是隔絕空氣．
（5）在800℃～1000℃時電解TiO₂也可制得海綿鈦，裝置如圖所示．圖中b是電源的正  極，陰極的電極反應式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的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，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2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過濾，濾液I中溶質為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結晶得到副產品甲和溶液II，根據(jù)流程圖中溶液II中含有TiOSO₄，則副產品甲為綠礬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)生置換反應生成Ti，
（1）鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，依據(jù)氧化還原反應分析，應生成硫酸亞鐵和水；
（2）鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化；
（3）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)元素守恒寫出反應的離子方程式；
（4）為防止碳與氧氣反應，應可絕空氣加熱；
（5）電解池的陽極發(fā)生失電子的氧化反應；電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應；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；

解答 解：鈦鐵礦和濃硫酸混合，鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，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2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過濾，濾液I中溶質為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結晶得到副產品甲和溶液II，根據(jù)流程圖中溶液II中含有TiOSO₄，則副產品甲為綠礬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)生置換反應生成Ti，
（1）鈦鐵礦精礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，依據(jù)氧化還原反應分析，應生成硫酸亞鐵和水，反應的化學方程式為：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案為：FeTiO₃+H₂SO₄（濃）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）鈦鐵礦和濃硫酸反應的產物之一是TiOSO₄，加入鐵屑，可防止Fe²⁺氧化，
故答案為：防止Fe²⁺氧化；
（3）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^-10，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═H₂TiO₃↓+2H⁺； TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺；
（4）為防止碳與氧氣反應，應可絕空氣加熱，
故答案為：隔絕空氣；
（5）電解池的陽極是氧離子發(fā)生失電子的氧化反應，導致氧氣等氣體的出現(xiàn)，所以電極反應式為：2O^2-→O₂↑+4e^-，電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應，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 本題考查物質的制備實驗方案的設計，側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，為高考常見題型，難度中等，注意把握實驗的基本原理和物質的性質．