Question

3．鈦礦工業(yè)中的酸性廢水富含Ti，F(xiàn)e等元素，其綜合利用如圖：

已知：TiO²⁺易水解，只能存在于強酸性溶液中．
（l）TiO²⁺鈦的化合價為+4
（2）步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量的試劑是BD．
A．稀H₂SO₄   B．NaOH溶液  C．Zn片  D．KSCN溶液
（3）操作a是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾．操作a使用的玻璃儀器是玻璃杯、酒精燈和漏斗．
（4）步驟Ⅲ中反應溫度一般需控制在35℃以下，其目的是避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度．
（5）已知K_sp（Fe（OH）₂）=8×10^-16，步驟Ⅲ中，F(xiàn)eCO₃達到溶解平衡時，若室溫下測得溶液的pH為8.5，c（Fe²⁺）=1×10^-6 mol/L．試判斷所得的FeCO₃中沒有（填“有”或“沒有”）Fe（OH）₂；步驟Ⅳ中，為了得到較為純凈的Fe₂O₃，除了適當?shù)臏囟韧�，還需要采取的措施是向容器中補充適量的空氣．
（6）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固體TiO₂•nH₂O．請結合原理和化學用語解釋其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移動．
（7）a操作前最好增加一步操作，此操作是過濾．

Answer 1

分析 鈦礦工業(yè)中的酸性廢水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，加入鐵粉還原鐵離子得到亞鐵離子，通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶過濾洗滌、干燥得到硫酸亞鐵晶體，配制成溶液調節(jié)溶液pH5-5.8范圍內，加入足量碳酸氫銨，過濾得到碳酸亞鐵沉淀，在坩堝中灼燒得到氧化鐵，過濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，
（1）離子中個元素化合價代數(shù)和等于離子所帶電荷數(shù)計算，元素為-2價；
（2）通過檢驗是否含鐵離子來判斷步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量；
（3）溶液中得到溶質固體的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾；
（4）反應溫度一般需控制在35℃以下，是為了避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度；
（5）根據溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²與K_sp[Fe（OH）₂]比較，可判斷有無Fe（OH）₂沉淀，保證二價鐵被氧化為三價需要多通入空氣或氧氣；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動；
（7）步驟Ⅰ所得溶液中含有難溶物Fe，在步驟a操作前最好將過量的鐵粉除去．

解答 解：鈦礦工業(yè)中的酸性廢水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，加入鐵粉還原鐵離子得到亞鐵離子，通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶過濾洗滌、干燥得到硫酸亞鐵晶體，配制成溶液調節(jié)溶液pH5-5.8范圍內，加入足量碳酸氫銨，過濾得到碳酸亞鐵沉淀，在坩堝中灼燒得到氧化鐵，過濾后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，
（1）離子中個元素化合價代數(shù)和等于離子所帶電荷數(shù)計算，元素為-2價，則TiO²⁺鈦的化合價為+4價，
故答案為：+4；
（2）步驟I中檢驗鈦礦廢水中加入鐵屑是否足量的試劑是檢驗是否含鐵離子，可以選擇加入NaOH溶液或KSCN溶液，如：加入硫氰化鉀后溶液變紅色證明鐵加入不足，如溶液不變紅色證明鐵粉加入足量，
故答案為：BD；
（3）操作a是溶液中得到溶質固體，方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶過濾；操作a用到的玻璃儀器有：玻璃杯、酒精燈和漏斗，
故答案為：過濾；玻璃杯、酒精燈和漏斗；
（4）步驟Ⅲ中發(fā)生反應是硫酸亞鐵和碳酸氫銨反應生成碳酸亞鐵充電、硫酸銨、二氧化碳和水，反應的化學方程式為：FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑，為了避免溫度過高碳酸氫銨分解、減少鐵離子的水解程度，反應溫度一般需控制在35℃以下，
故答案為：避免溫度過高碳酸氫銨分解，減少鐵離子的水解程度；
（5）室溫下測得溶液的pH為8.5，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.5}}$=1×10^-5.5，由題中數(shù)據可知，溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²=1×10^-6×（1×10^-5.5）²=1×10^-17＜K_sp[Fe（OH）₂]=8×10^-16，故無Fe（OH）₂沉淀生成，
故答案為：沒有；向容器中補充適量的空氣；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移動，可得到TiO₂粗產品，
故答案為：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末與H⁺反應，降低了溶液中c（H⁺），促進水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移動；
（7）步驟Ⅰ所得溶液中含有過量的鐵粉，為了避免過濾得到碳酸亞鐵沉淀混有鐵粉，在a操作前最好增加過濾操作，
故答案為：過濾．

點評 本題考查化學實驗基本操作方法的綜合應用，為高考常見題型，題目濃度較大，側重于學生的分析能力、實驗能力的考查，注意把握實驗的原理和目的，為解答該類題目的關鍵，注意物質的性質，結合題給信息解答，試題有利于提高學生的分析、理解能力及化學實驗能力．