Question

19．鈦被稱為“二十一世紀金屬”，工業(yè)上用鈦鐵礦制備金屬鈦的工藝流程如下：

已知：鈦鐵礦主要成分與濃硫酸反應的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，TiOSO₄遇水會水解．
請回答下列問題：
（1）操作1用到的玻璃儀器除燒杯外還有漏斗、玻璃棒，操作2是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾，副產(chǎn)品主要成分的化學式為FeSO₄．
（2）請結合化學用語解釋將TiO²⁺轉化為H₂TiO₃的原理溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當加熱升溫后，平衡正向移動，生成H₂TiO₃．
（3）已知鈦的還原性介于鋁與鋅之間，估計鈦能耐腐蝕的原因之一是鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內部結構緊密）．如果可從Na、Zn、Fe三種金屬中選一種金屬代替流程中的鎂，那么該金屬跟四氯化鈦反應的化學方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl．
（4）電解TiO₂來獲得Ti是以TiO₂作陰極，石墨為陽極，熔融CaO為電解質，用碳塊作電解槽，其陰極反應的電極反應式是TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-．
（5）為測定溶液中TiOSO₄的含量，首先取待測鈦液10mL用水稀釋至100mL，加過量鋁粉，充分振蕩，使其完全反應：3TiO²⁺+Al+6H⁺═3Ti³⁺+Al³⁺+3H₂O．過濾后，取出濾液20.00mL，向其中滴加2～3滴KSCN溶液作指示劑，用酸式滴定管（填一種玻璃儀器的名稱）滴加0.1000mol•L^-1 FeCl₃溶液，發(fā)生Ti³⁺+Fe³⁺═Ti⁴⁺+Fe²⁺．當溶液出現(xiàn)紅色達到滴定終點，用去了30.00mL FeCl₃溶液．待測鈦液中TiOSO₄的物質的量濃度是1.5 mol•L^-1．

Answer 1

分析 用濃硫酸處理鈦鐵礦，鈦鐵礦用濃硫酸溶解，反應的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過量鐵粉還原鐵離子，過濾得到濾液通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾得到TiO²⁺濾液，和副產(chǎn)品FeSO₄，濾液中加入水加熱過濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過量碳高溫加熱反應生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應得到氯化鎂和鈦金屬．
（1）操作1是分離不溶的固體與液體；操作2經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾得到TiO²⁺濾液和副產(chǎn)品FeSO₄；
（2）溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影響因素和平衡移動原理分析判斷；
（3）根據(jù)金屬鋁的氧化物的性質結合信息來回答，金屬鈉的活潑性強，可以用于金屬的冶煉；
（4）陰極上發(fā)生還原反應，是TiO₂獲得電子生成Ti與O^2-；
（5）氯化鐵溶液具有氧化性，且其溶液呈酸性，應盛放在酸式滴定管中；
根據(jù)關系式TiOSO₄～Ti³⁺～Fe³⁺計算．

解答 解：用濃硫酸處理鈦鐵礦，鈦鐵礦用濃硫酸溶解，反應的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過量鐵粉還原鐵離子，過濾得到濾液通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾得到TiO²⁺濾液，和副產(chǎn)品FeSO₄，濾液中加入水加熱過濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過量碳高溫加熱反應生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應得到氯化鎂和鈦金屬．
（1）操作1為過濾用到的玻璃儀器除燒杯外還有漏斗、玻璃棒，操作2的實驗步驟為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶，加入過量鐵屑后溶液中含有Fe²⁺離子，則過濾后可得FeSO₄•7H₂O（或FeSO₄），副產(chǎn)品主要成分的化學式為FeSO₄，
故答案為：漏斗、玻璃棒；蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶；FeSO₄；
（2）加熱的目的是促進TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂，溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當加熱升溫后，平衡正向移動，生成H₂TiO₃；
故答案為：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當加熱升溫后，平衡正向移動，生成H₂TiO₃；
（3）鈦的還原性介于鋁與鋅之間，氧化鋁是一層致密的氧化膜，估計鈦能耐腐蝕的原因鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內部結構緊密）；活潑金屬鈉可以將金屬鈦置換出來：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl，Zn、和Fe都是不可以的，活潑性差，
故答案為：鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內部結構緊密）；TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl；
（4）因TiO₂作陰極，得到電子，被還原得到單質Ti，陰極電極反應式為：TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-，
故答案為：TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-；
（5）準確滴加氯化鐵溶液可使用滴定管，氯化鐵有較強的氧化性，且其溶液呈酸性，應用酸式滴定管；
設待測鈦液中TiOSO₄的物質的量濃度是c mol/L，則：
              TiOSO₄～Ti³⁺～Fe³⁺
                1            1
0.01L×c mol/L×$\frac{20mL}{100mL}$      0.1000mol•L^-1×0.03L
所以 0.1L×c mol/L×$\frac{20mL}{100mL}$=0.1000mol•L^-1×0.03L
解得c=1.5
故答案為：酸式滴定管；1.5 mol•L^-1．

點評 本題考查物質準備工藝流程，涉及物質的分離提純、對操作與原理的分析評價、電解原理應用、氧化還原反應滴定等，側重考查學生的閱讀獲取信息、分析解決問題的能力，是對學生綜合能力的考查，題目難度較大．