Question

4．工業(yè)上由鈦鐵礦（FeTiO₃）（含F(xiàn)e₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）制備TiO₂的有關(guān)反應包括：
酸溶FeTiO₃（s）+2H₂SO₄（aq）=FeSO₄（aq）+TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）
水解TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）$\frac{\underline{\;90℃\;}}{\;}$H₂TiO₃（s）+H₂SO₄（aq）
簡要工藝流程如圖：

（1）為提高鈦鐵礦的浸出率，請寫出兩條合理的措施攪拌或適當提高酸的濃度或加熱或?qū)⒌V石粉碎或延長浸取時間．
（2）酸溶后所得到的礦渣的主要成分是SiO₂．
（3）試劑A為鐵粉．鈦液Ⅰ需冷卻至70°C左右，若溫度過高會導致產(chǎn)品收率降低，原因是由于TiOSO₄容易水解，若溫度過高，則會有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃而經(jīng)過濾進入FeSO₄•7H₂O中導致TiO₂產(chǎn)率降低．
（4）從鈦液Ⅰ中獲得FeSO₄•7H₂O晶體的操作Ⅰ步驟為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，過濾．
（5）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無明顯現(xiàn)象，再加H₂O₂后出現(xiàn)微紅色，說明H₂TiO₃中存在的雜質(zhì)離子是Fe²⁺．這種H₂TiO₃用水充分洗滌，鍛燒后獲得的TiO₂顏色發(fā)黃，發(fā)黃的雜質(zhì)是Fe₂O₃（填化學式）．
（6）FeSO₄•7H₂O晶體可用于生產(chǎn)紅色顏料（Fe₂O₃），其方法是：將556akgFeSO₄•7H₂O晶體（摩爾質(zhì)量為278g/mol）溶于水中，加入適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應，鼓入足量空氣攪拌，產(chǎn)生紅褐色膠體；再向紅褐色膠體中加入3336bkgFeSO₄•7H₂O晶體和112ckg鐵粉，鼓入足量空氣攪拌．反應完成后，有大量Fe₂O₃附著在膠體粒子上以沉淀形式析出；過濾后，沉淀經(jīng)高溫灼燒得紅色顏料．若所得濾液中溶質(zhì)只有硫酸鈉和硫酸鐵，則理論上可生產(chǎn)紅色顏料160a+320b+160ckg．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（FeTiO₃）（含F(xiàn)e₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）加入硫酸溶解過濾得到鈦液Ⅰ和礦渣為二氧化硅，在70°C的鈦液Ⅰ中加入試劑A為Fe粉，還原鐵離子為亞鐵離子，通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾洗滌從鈦液Ⅰ中獲得FeSO₄•7H₂O晶體，得到鈦液Ⅱ加熱水解過濾得到H₂TiO₃，酸洗、水洗、干燥、煅燒得到TiO₂，
（1）為提高鈦鐵礦的浸出率，可以利用攪拌、升溫、增大濃度或增大接觸面積等措施；
（2）鈦鐵礦（FeTiO₃）（含F(xiàn)e₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）加入酸溶解，二氧化硅不溶于酸，過濾得到濾渣為二氧化硅；
（3）加入硫酸后FeTiO₃、Fe₂O₃溶解，SiO₂不反應，過濾除去SiO₂，由于亞鐵離子易被氧化，鈦液I加入試劑A，將溶液中Fe³⁺還原為Fe²⁺，超過90℃TiOSO₄（aq）水解得到H₂TiO₃（s），冷卻至70℃左右結(jié)晶出硫酸亞鐵晶體，過濾分離出硫酸亞鐵晶體，鈦液Ⅱ水解析出H₂TiO₃（s），洗滌、干燥、灼燒得到TiO₂；
（4）濾液中獲得晶體的操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾洗滌；
（5）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無明顯現(xiàn)象，再加H₂O₂后出現(xiàn)微紅色，說明H₂TiO₃中存在的雜質(zhì)離子是亞鐵離子，直接水洗時Fe²⁺會水解得到氫氧化亞鐵，氧化得到氫氧化鐵，灼燒氫氧化鐵分解得到氧化鐵；
（6）考慮最后溶質(zhì)是只有硫酸鈉和硫酸鐵，根據(jù)開始加入A為2a×10³mol加入適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應．，說明加入氫氧化鈉的物質(zhì)的量為4a×10³mol，后來又加入12b×10³mol的A，和2c×10³mol的鐵．根據(jù)電荷守恒，溶質(zhì)中硫酸鈉消耗硫酸根離子為2a×10³mol，．而溶液中加入的硫酸根離子物質(zhì)的量共計為（2a+12b）×10³mol，這樣剩下的硫酸根就與鐵離子結(jié)合．可知消耗鐵離子為8b×10³mol，根據(jù)鐵元素守恒．

解答 解：（1）為提高鈦鐵礦的浸出率，合理的措施可以利用攪拌、升溫、增大濃度或增大接觸面積等措施，
故答案為：攪拌或適當提高酸的濃度或加熱或?qū)⒌V石粉碎或延長浸取時間；
（2）鈦鐵礦（FeTiO₃）（含F(xiàn)e₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）加入酸溶解，二氧化硅不溶于酸，過濾得到濾渣為二氧化硅，
故答案為：SiO₂；
（3）因為礦石經(jīng)硫酸溶解后得到的Fe₂（SO₄）₃，而后面過濾得到的是FeSO₄•7H₂O，所以試劑A是鐵粉，由于TiOSO₄容易水解，若溫度過高，則會有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃，經(jīng)過濾進入FeSO₄•7H₂O中，導致產(chǎn)品TiO₂產(chǎn)率降低，
故答案為：鐵粉；由于TiOSO₄容易水解，若溫度過高，則會有較多的TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃，而經(jīng)過濾進入FeSO₄•7H₂O中，導致TiO₂產(chǎn)率降低；
（4）濾液中獲得晶體的操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾洗滌，從鈦液Ⅰ中獲得FeSO₄•7H₂O晶體的操作Ⅰ步驟為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，
故答案為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；
（5）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無明顯現(xiàn)象，再加H₂O₂后出現(xiàn)微紅色，說明H₂TiO₃中存在的雜質(zhì)離子是Fe²⁺離子，直接水洗時Fe²⁺會水解得到氫氧化亞鐵，氧化得到氫氧化鐵，灼燒氫氧化鐵分解得到氧化鐵，煅燒后獲得的TiO₂發(fā)黃的雜質(zhì)是Fe₂O₃，
故答案為：Fe²⁺；Fe₂O₃；
（6）依題意A與適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應，F(xiàn)eSO₄+2NaOH=Na₂SO₄+Fe（OH）₂↓，根據(jù)開始加入A為2a×10³mol，可知加入氫氧化鈉為4a×10³mol；后來又加入12b×10³mol的A和2c×10³mol的鐵，由Na₂SO₄ 、FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃、Fe₂O₃等化學式的定量組成和守恒思想分別可求得以下各量：利用Na⁺離子守恒，n（NaOH）=2n（Na₂SO₄），可知Na₂SO₄物質(zhì)的量為2a×10³mol；利用SO₄^2-離子守恒，n（FeSO₄）=n（Na₂SO₄）+3n[Fe₂（SO₄）₃]，可知Fe₂（SO₄）₃物質(zhì)的量為（2a+12b-2a）×10³mol×$\frac{1}{3}$=4b×10³mol；利用Fe元素守恒，n（FeSO₄）+n（Fe）=2 n[Fe₂（SO₄）₃]+2n（Fe₂O₃），可知n（Fe₂O₃）=（2a+12b+2c-4b×2）×10³mol×$\frac{1}{2}$=（a+2b+c）×10³mol，計算得m（Fe₂O₃）=（160a+320b+160c）kg，
故答案為：160a+320b+160c．

點評 本題屬于化學工藝流程題目，涉及對操作與試劑的分析評價、對原理的分析評價、物質(zhì)的分離提純等，需要學生熟練掌握元素化合物知識，培養(yǎng)了學生實驗能力、知識遷移應用能力，難度中等．