Question

16．钛被称为“二十一世纪金属”，工业上用钛铁矿制备金属钛的工艺流程如下：

请回答下列问题：
（1）铁在元素周期表中的位置为第四周期第ⅤⅢ族；
（2）写出TiO²水解的离子方程式：TiO₂++2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；
加入过量铁粉的作用是：①防止Fe²⁺氧化为Fe³⁺；②促使TiO₂²⁺的水解平衡正向移动；
（3）操作I的使用步骤为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（4）室温下，TiCl₄为无色液体，可利用TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O，再经焙烧制得TiO₂．TiCl₄水解时需加入大量的水并加热，请写出化学方程式和用文字说明原因：TiCl₄+（2+x）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，加入大量的水并加热，能促进水解趋于完全；
（5）工业上利用石墨做阳极，铁做阴极，熔融NaCl做电解质，电解TiCl₄制取金属钛．请写出阳极的电极反应式2Cl^--2e^-=Cl₂↑．在电解过程中，电解池中有Ti²⁺、Ti³⁺的化合物，请写出电解池中生成Ti²⁺、Ti的化学方程式：TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$TiCl₂+Cl₂↑，TiCl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$Ti+Cl₂↑．

Answer 1

分析 分析流程图和相关信息可知钛铁矿处理得到TiCl₄，TiCl₄在熔融NaCl作电解质的条件下电解生成Ti，钛铁矿经酸浸得到副产品FeSO₄和TiOSO₄，加入过量铁粉和水，利用TiO²⁺水解生成H₂TiO₃沉淀过滤将TiO²⁺除去，滤液为硫酸亚铁溶液，向滤液中加入硫酸铵，经蒸发浓缩、冷却结晶和过滤洗涤得到硫酸亚铵晶体；
（1）铁元素在元素周期表中的位置是第四周期第ⅤⅢ族；
（2）TiO²⁺水解生成H₂TiO₃和H⁺，加入过量铁粉的作用是①防止Fe²⁺氧化为Fe³⁺，②消耗溶液中H+，促使TiO₂²⁺的水解平衡正向进行；
（3）从溶液中获得晶体的操作为蒸发浓缩、冷却结晶和过滤，故操作Ⅰ的实验步骤为蒸发浓缩、冷却结晶；
（4）根据题给信息知TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O沉淀和盐酸，加入大量的水并加热，能促进水解接近完全；
（5）TiCl₄在熔融NaCl作电解质的条件下电解生成金属Ti，阳极为阴离子放电，发生氧化反应，电极反应式为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，电解过程中有Ti³⁺、Ti²⁺的化合物生成，化学方程式为2TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2TiCl₃+Cl₂↑，TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$TiCl₂+Cl₂↑．

解答 解：分析流程图和相关信息可知钛铁矿处理得到TiCl₄，TiCl₄在熔融NaCl作电解质的条件下电解生成Ti，钛铁矿经酸浸得到副产品FeSO₄和TiOSO₄，加入过量铁粉和水，利用TiO²⁺水解生成H₂TiO₃沉淀过滤将TiO²⁺除去，滤液为硫酸亚铁溶液，向滤液中加入硫酸铵，经蒸发浓缩、冷却结晶和过滤洗涤得到硫酸亚铵晶体；
（1）铁元素在元素周期表中的位置是第四周期第ⅤⅢ族，
故答案为：第四周期第ⅤⅢ族；
（2）TiO²⁺水解生成H₂TiO₃和H⁺，离子方程式为：TiO₂++2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺，加入过量铁粉的作用是①防止Fe²⁺氧化为Fe³⁺，②消耗溶液中H+，促使TiO₂²⁺的水解平衡正向进行，
故答案为：TiO₂+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺，防止Fe²⁺氧化为Fe³⁺，消耗溶液中H+，促使TiO₂²⁺的水解平衡正向移动；
（3）从溶液中获得晶体的操作为蒸发浓缩、冷却结晶和过滤，故操作Ⅰ的实验步骤为蒸发浓缩、冷却结晶，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（4）根据题给信息知TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O沉淀和盐酸，反应方程式为：TiCl₄+（2-x）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，加入大量的水并加热，能促进水解接近完全，
故答案为：TiCl₄+（2+x）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，加入大量的水并加热，能促进水解趋于完全；
（5）TiCl₄在熔融NaCl作电解质的条件下电解生成金属Ti，阳极为阴离子放电，发生氧化反应，电极反应式为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，电解过程中有Ti³⁺、Ti²⁺的化合物生成，化学方程式为2TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2TiCl₃+Cl₂↑，TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$TiCl₂+Cl₂↑，TiCl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$Ti+Cl₂↑，
故答案为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，TiCl₄$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$TiCl₂+Cl₂↑，TiCl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$Ti+Cl₂↑．

点评 本题以钛铁矿的综合应用为载体考查了铁元素在周期表的位置，物质的分离、提纯，化学实验基本操作，化学方程式、离子方程式的书写和电解原理的应用，题目难度中等．