Question

20．金屬鈦被譽(yù)為“21世紀(jì)金屬”．工業(yè)上用鈦礦石（FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）制得海綿鈦的流程如下．

回答下列問(wèn)題：
（1）要提高酸浸時(shí)鈦礦石的溶解速率，請(qǐng)?zhí)峁┛尚械拇胧┓鬯榈V石，加熱反應(yīng)物，酸浸時(shí)主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）副產(chǎn)品中含有雜質(zhì)[Al₂（SO4）₃]．要將副產(chǎn)品進(jìn)一步提純，請(qǐng)結(jié)合圖1的綠礬溶解度曲線完成提純過(guò)程：

將副產(chǎn)品溶于稀硫酸中，加入足量的鐵粉，充分?jǐn)嚢韬�，用NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH約為5，過(guò)濾沉淀后得到FeSO₄溶液，加熱濃縮得到60℃飽和溶液，冷卻至室溫（或0℃）結(jié)晶，過(guò)濾，用冰水洗滌，低溫干燥，得到FeSO₄•7H₂0晶體．
（3）高溫時(shí)，由TiO₂轉(zhuǎn)化為TiC1₄的化學(xué)方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．在一定條件下，將足量TiO₂（s）和固體炭放入密閉容器中，再通入C1₂進(jìn)行反應(yīng)至平衡，當(dāng)改變外界條件時(shí)，TiC1₄（g）體積分?jǐn)?shù)φ（TiCl₄）變化的趨勢(shì)如圖2所示，由圖判斷：①該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②在750℃、100MPa和800℃、200MPa下C1₂的轉(zhuǎn)化率分別為α₁、α₂，則α_1＞α₂  （填“＞”“＜”或“=”）．
（4）常溫下，H₂TiO₃的沉淀溶解平衡為H₂TiO₃（s）?TiO²⁺（aq）+2OH^-（aq），其溶度積常數(shù)K_sp=1.0×10^-29mol³•L^-3．若在TiOSO₄溶液中加入NaOH溶液調(diào)pH使TiO²⁺完全沉淀（當(dāng)離子濃度等于或小于10^-5mol•L^-1時(shí)可認(rèn)為完全沉淀），則此時(shí)溶液的pH至少為2．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)），鈦鐵礦和濃硫酸混合，鈦鐵礦和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應(yīng)中無(wú)氣體生成，濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，+2價(jià)Fe具有還原性，則+2價(jià)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(yīng)2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過(guò)濾，濾液中溶質(zhì)為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結(jié)晶得到綠礬FeSO₄•7H₂O，TiOSO₄溶液加入水并加熱，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后過(guò)濾回收硫酸，同時(shí)得到H₂TiO₃，煅燒H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，TiO₂能和氯氣、C在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(yīng)生成Ti．
（1）提高浸出率可從濃度、溫度、接觸面積等影響化學(xué)反應(yīng)速率的角度解答；FeTiO₃與酸反應(yīng)生成FeSO₄、TiOSO₄、H₂O；
（2）FeSO₄溶液加熱蒸發(fā)濃縮，放在冰水中冷卻，冷卻結(jié)晶，之后過(guò)濾，洗滌，低溫烘干得到FeSO₄•7H₂0晶體；
（3）TiO₂可與焦炭、氯氣在高溫時(shí)反應(yīng)，該反應(yīng)中氧化劑為氯氣，還原劑為碳，產(chǎn)物為TiC1₄和CO，根據(jù)得失電子守恒書寫方程式；
①升高溫度，平衡向吸熱的方向移動(dòng)，從圖示可知，溫度越高，TiC1₄（g）體積分?jǐn)?shù)φ（TiCl₄）越低；
②正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越低，正反應(yīng)為體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，轉(zhuǎn)化率越低；
（4）應(yīng)滿足c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，以此計(jì)算溶液的c（OH^-），可確定溶液的pH．

解答 解：（1）提高浸出率，可增大硫酸濃度、升高溫度、邊加硫酸邊攪攔、增加浸出時(shí)間、粉碎成細(xì)顆粒，增大接觸面積增大反應(yīng)速率等，酸浸時(shí)反應(yīng)物有硫酸、FeTiO₃，生成物有FeSO₄、TiOSO₄、H₂O，反應(yīng)方程式為：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，離子方程式為FeTiO₃+6H⁺=Fe²⁺+Ti⁴⁺+3H₂O，
故答案為：粉碎礦石，加熱反應(yīng)物；2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）根據(jù)金屬離子沉淀的pH值，然后通過(guò)滴加NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至5.0把Al³⁺除去，過(guò)濾，即得到FeSO₄溶液，加熱濃縮得到60℃飽和溶液，然后放在冰水中冷卻至室溫，冷卻結(jié)晶，之后過(guò)濾，洗滌，低溫烘干，
故答案為：加熱濃縮得到60℃飽和溶液，冷卻至室溫（或0℃）結(jié)晶；
（3）TiO₂可與焦炭、氯氣在高溫時(shí)反應(yīng)，該反應(yīng)中氧化劑為氯氣，還原劑為碳，C化合價(jià)變化（0→+2），Cl化合價(jià)變化（0→-1），根據(jù)得失電子守恒，氧化劑氯氣，還原劑碳，它們的物質(zhì)的量相等，則反應(yīng)的方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；
①?gòu)膱D示可知，溫度越高，TiC1₄（g）體積分?jǐn)?shù)φ（TiCl₄）越低，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0，
故答案為：＜；
②從圖示可知，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越低，800℃轉(zhuǎn)化率低，正反應(yīng)為體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率越低，所以α₁＞α₂，
故答案為：＞；
（4）當(dāng)離子濃度等于或小于10^-5mol•L^-1時(shí)可認(rèn)為完全沉淀，c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，c²（OH^-）≥$\frac{1.0×1{0}^{-29}}{1.0×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）≥1.0×10 ^-12mol/L，c（H⁺）≥1.0×10 ^-2mol/L，PH=2，
故答案為：2．

點(diǎn)評(píng) 本題借助制得海綿鈦的流程，考查了方程式書寫、化學(xué)平衡的影響因素、難溶電解質(zhì)的溶解平衡計(jì)算等知識(shí)，為高頻考點(diǎn)和高考常見(jiàn)題型，充分考查了學(xué)生的綜合能力，本題難度中等．