Question

5．钛铁矿的主要成分可表示为FeTiO₃（Ti为+4价），某钛铁矿中含FeTiO₃为76%．钛白粉在涂料、塑料、油墨、造纸等行业具有广泛的用途，钛白粉的主要成分为TiO₂．利用该钛铁矿生产钛白粉及绿矾的工艺流程如下：

（1）若钛铁矿与浓硫酸反应时Ti 的转化率为92%，操作Ⅰ～Ⅳ中Ti的转化率均为96%，则1t该矿石可生产钛白粉（TiO₂）0.31t （计算结果保留两位小数，下同），能否计算生成的绿矾（FeSO₄•7H₂O）的质量？在制备钛白粉的过程中没有给出钛铁矿与硫酸的反应，在操作Ⅰ和操作Ⅱ中Fe的转化率也是未知的，故不能计算绿矾的产量（能则写出计算结果，不能则说明理由）．
（2）钛铁矿与硫酸的反应可表示为FeTiO₃+H₂SO₄→TiOSO₄+X+H₂O（未配平）．其中X的化学式为FeSO₄．
（3）操作Ⅰ的名称是过滤，操作Ⅱ包括冷却结晶、过滤、洗涤、干燥．操作Ⅱ中加入铁粉的目的是Fe+2Fe³⁺═3Fe²⁺ （用离子方程式表示）．
（4）写出操作Ⅲ中TiOSO₄水解的化学方程式：TiOSO₄+2H₂O═TiO（OH）₂↓+H₂SO₄．

Answer 1

分析 钛铁矿与硫酸反应：FeTiO₃+H₂SO₄→TiOSO₄+FeSO₄+H₂O，然后过滤出未被酸溶解的物质，将所得到的滤液中加入铁粉可以得到了绿矾，将滤液控制在一定的条件，让TiOSO₄水解：TiOSO₄+2H₂O═TiO（OH）₂↓+H₂SO₄，将过滤出的沉淀进行煅烧，可以得到钛白粉（TiO₂）．
（1）则根据元素守恒得：FeTiO₃～TiO₂，根据FeTiO₃的质量1t×76%×92%×96%，来计算二氧化钛的质量；在制备钛白粉的过程中没有给出钛铁矿与硫酸的反应，在操作Ⅰ和操作Ⅱ中Fe的转化率也是未知的，故不能计算绿矾的产量；
（2）根据原子守恒可以得而X的化学式，存在元素的化合价改变的反应为氧化还原反应；
（3）从溶液中得到了没有与酸反应的颗粒状物质故所需的操作为过滤；从溶液中得到晶体的操作为结晶后过滤；铁粉与可能生成的+3价的铁反应生成+2价的铁；
（4）根据水解原理：TiOSO₄水解时SO₄^2-结合水电离的H⁺，TiO²⁺结合水电离的OH^-来书写方程式．

解答 解：钛铁矿与硫酸反应：FeTiO₃+H₂SO₄→TiOSO₄+FeSO₄+H₂O，然后过滤出未被酸溶解的物质，将所得到的滤液中加入铁粉可以得到了绿矾，将滤液控制在一定的条件，让TiOSO₄水解：TiOSO₄+2H₂O═TiO（OH）₂↓+H₂SO₄，将过滤出的沉淀进行煅烧，可以得到钛白粉（TiO₂）．
（1）设得到二氧化钛的质量是m，则根据元素守恒得：
                   FeTiO₃～TiO₂
                  152        80
           1t×76%×92%×96%  m
m=0.31t，在制备钛白粉的过程中没有给出钛铁矿与硫酸的反应，在操作Ⅰ和操作Ⅱ中Fe的转化率也是未知的，故不能计算绿矾的产量；
故答案为：0.31；在制备钛白粉的过程中没有给出钛铁矿与硫酸的反应，在操作Ⅰ和操作Ⅱ中Fe的转化率也是未知的，故不能计算绿矾的产量；
（2）在FeTiO₃中Ti为+4价故Fe为+2价，反应后铁元素的化合价没有发生改变，钛元素化合价也没有发生改变，其他元素的化合价都没发生改变，故此反应为非氧化还原反应，根据原子守恒可以得而X的化学式为FeSO₄，
故答案为：FeSO₄；
（3）在操作I从溶液中得到了没有与酸反应的颗粒状物质故所需的操作为过滤；在操作II加入铁粉后得到了绿矾，故应是从溶液中得到晶体的操作为结晶后过滤；在操作II加入铁粉的目的是为了防止在制备过程中钛铁矿+2价的铁生成+3价的铁使制备的绿矾中含有杂质，故应加入铁粉与可能生成的+3价的铁反应生成+2价的铁，
故答案为：过滤；过滤、洗涤、干燥；Fe+2Fe³⁺═3Fe²⁺；
（4）TiOSO₄水解时SO₄^2-结合水电离的H⁺，TiO²⁺结合水电离的OH^-，故反应为TiOSO₄+2H₂O═TiO（OH）₂↓+H₂SO₄，
故答案为：TiOSO₄+2H₂O═TiO（OH）₂↓+H₂SO₄．

点评 本题考查物质的制备实验方案的设计，题目难度中等，试题侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，为高考常见题型，明确制备流程及反应原理为解答关键，注意把握实验的基本原理和常见物质的性质．