Question

12．草酸鈦鉀[K₂TiO（C₂O₄）₂]易溶于水，可作鞣革劑、媒染劑等．工業(yè)上從鈦鐵礦 （主要含 FeTiO₃，還有少量Fe₂O₃、SiO₂、A1₂O₃等雜質(zhì)）制備草酸鈦鉀晶體，并得到副產(chǎn)品綠礬，流程如圖所示：

已知：
①TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中；
②Ksp[TiO （OH）₂]=1.0×10^-29．
請回答下列問題：
（1）經(jīng)過步驟①能除去的雜質(zhì)有A1₂O₃、SiO₂（填化學式）．
（2）草酸鈦鉀[K₂TiO（C₂O₄）₂]中Ti的化合價是+4．
（3）FeTiO₃與過量H₂SO₄反應的化學方程式是FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（4）干燥綠礬的最佳方法是風干．（選填“風干”或者“加熱”）
（5）步驟④加Na₂CO₃反應的離子方程式是TiO²⁺+CO₃^2-+H₂O=TiO（OH）₂↓+CO₂↑，當TiO²⁺的濃度小于l×10^-5mol/L時認為TiO²⁺沉淀完全，此時溶液的pH應大于2．
（6）TiO（OH）₂經(jīng)過一系列變化可制得Li₄Ti₅O₁₂納米材料，將其與LiFePO₄作電極組成電池，其工作原理是：Li₄Ti₅O₁₂+3LiFePO₄$?_{放電}^{充電}$Li₇Ti₅O₁₂+3FePO₄，充電時LiFePO₄連接電源的正極，請寫出該電池放電時負極的電極反應式FePO₄-e^-=FePO₄^-．
（7）為了測定綠礬樣品中FeSO₄•7H₂O的含量，稱取mg綠礬樣品配成溶液，用b mol/L酸性KMnO₄溶液進行滴定，消耗酸性KMnO₄溶液c mL．計算上述樣品中FeSO₄•7H₂O的質(zhì)量分數(shù)是278×5bc×10^-3/m （用含m、b、c的代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 工業(yè)上從鈦鐵礦 （主要含 FeTiO₃，還有少量Fe₂O₃、SiO₂、A1₂O₃等雜質(zhì)）制備草酸鈦鉀晶體，將鈦鐵礦溶于氫氧化鈉溶液過濾，其中二氧化硅、氧化鋁溶解為硅酸鈉和偏鋁酸鈉，濾渣中主要為FeTiO₃，還有少量Fe₂O₃，加入硫酸溶解，強酸性溶液存在TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、SO₄^2-，加入鐵粉發(fā)生反應生成亞鐵離子，控制溫度過濾得到硫酸亞鐵晶體，洗滌干燥得到綠礬，濾液中加入碳酸鈉得到TiO（OH）₂，加入K₂C₂O₄，經(jīng)過一系列的操作得到草酸鈦鉀[K₂TiO（C₂O₄）₂]晶體．
（1）①二氧化硅、氧化鋁能和堿反應，所以可除去二氧化硅和氧化鋁；
（2）結(jié)合化合物中元素化合價代數(shù)和為0計算得到鈦元素化合價；
（3）FeTiO₃與過量H₂SO₄反應生成TiOSO4、FeSO₄和水；
（4）FeSO₄中鐵元素的化合價為+2價，加熱易氧化，結(jié)晶水易失去；
（5）步驟④加Na₂CO₃，發(fā)生雙水解反應生成TiO（OH）₂和二氧化碳；根據(jù)Ksp[TiO （OH）₂]=1.0×10^-29=C（TiO²⁺）×c²（OH^-）計算溶液的PH；
（6）充電時按照電解槽進行分析，陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應，放電時負極發(fā)生氧化反應，據(jù)此書寫電極方程式；
（7）根據(jù)5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O計算．

解答 解：（1）將鈦鐵礦溶于氫氧化鈉溶液過濾，其中二氧化硅為酸性氧化物，二氧化硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉和水，其反應的化學方程式為SiO₂+2NaOH═Na₂SiO₃+H₂O，氧化鋁為兩性氧化物，氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉和水，反應的化學方程式為：Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，濾渣中主要為FeTiO₃，還有少量Fe₂O₃，
故答案為：A1₂O₃、SiO₂；
（2）在草酸鈦鉀[K₂TiO（C₂O₄）₂]中K為+1價，C₂O₄^2-為-2價，O為-2價，設鈦元素的化合價是x，化合物中元素化合價代數(shù)和為0，+1×2+x=-2+（-2）×2，x=+4，所以鈦元素的化合價是+4，
故答案為：+4；
（3）將鈦鐵礦溶于氫氧化鈉溶液過濾，濾渣中主要為FeTiO₃，還有少量Fe₂O₃，F(xiàn)eTiO₃，其中鐵元素的化合價為+2價，氧元素的化合價為-2價，鈦的化合價為+4價，加入硫酸溶解，鈦鐵礦和濃硫酸反應，無化合價的變化，根據(jù)題干信息可知產(chǎn)物為TiOSO₄、FeSO₄，所以反應為：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案為：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（4）綠礬為FeSO₄•7H₂O，F(xiàn)eSO₄中鐵元素的化合價為+2價，加熱易被空氣中的氧氣氧化，加熱結(jié)晶水易失去，所以采用風干，
故答案為：風干；
（5）TiO²⁺易水解，步驟④加Na₂CO₃，TiO²⁺和碳酸根離子發(fā)生雙水解反應，反應為：TiO²⁺+CO₃^2-+H₂O=TiO（OH）₂↓+CO₂↑，當TiO²⁺的濃度小于l×10^-5mol/L時認為TiO²⁺沉淀完全，Ksp[TiO （OH）₂]=1.0×10^-29=C（TiO²⁺）×c²（OH^-），c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1.0×1{0}^{-29}}{1.0×1{0}^{-5}}}$=1×10^-12mol/L，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-12}}$mol/L=1×10^-2mol/L，pH=2，
故答案為：TiO²⁺+CO₃^2-+H₂O=TiO（OH）₂↓+CO₂↑；2；
（6）充電時，陽極發(fā)生氧化反應，LiFePO₄失去電子生成FePO₄，LiFePO₄連接電源的正極，電極反應為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺，該電池放電時，負極發(fā)生氧化反應，負極的電極反應式為：FePO₄-e^-=FePO₄^-，
故答案為：FePO₄-e^-=FePO₄^-；
（7）用b mol/L酸性KMnO₄溶液進行滴定，Mn元素的化合價由+7價降低為+2價，F(xiàn)e元素的化合價由+2價升高為+3價，由電子守恒、電荷守恒、原子守恒可知，離子反應為5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，
        5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O
        5            1
n（Fe²⁺）  b mol/L×C×10^-3L
計算得到：n（Fe²⁺）=5bc×10^-3 mol，樣品中FeSO₄•7H₂O的質(zhì)量分數(shù)為$\frac{5bc×1{0}^{-3}mol×278g/mol}{mg}$=278×5bc×10^-3/m，
故答案為：278×5bc×10^-3/m．

點評 本題考查了草酸鈦鉀的制備，涉及元素化合物知識、沉淀溶解平衡的計算、電化學知識、鹽類水解的分析應用等，題目難度中等，試題充分考查了學生的分析、理解能力及化學實驗能力．