Question

2．钛矿工业中会排放出酸性废水．含石TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺离子，其综合利用如图：

已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中．
（1）写出步骤Ⅰ发生反应的离子方程式Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑．
（2）步骤Ⅰ后所得溶液中Fe²⁺的检验方法是取少量溶液于试管中，滴入几滴KSCN溶液，振荡，溶液不变色；再加入几滴氯水，溶液变红色（或取少量溶液于试管中，滴入几滴铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀）；．
（3）从溶液中得到FeSO₄•7H₂O的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤．步骤Ⅲ中反应温度
一般需控制在35℃以下，其目的是防止NH₄HCO₃受热分解．
（4）步骤Ⅳ发生反应的化学方程式为4FeCO₃+O₂ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂．
（5）步骤Ⅲ中，FeCO₃达到溶解平衡时，若室温下测得溶液的pH为8.5，c（Fe²⁺）=1×10^-6mol•L^-1．试判断所得的FeCO₃中没有（填“有”或“没有”）F（OH）₂（己知Fe（OH）₂（已知Fe（OH）₂的K_sp为8×10^-16）
（6）向“富TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固体TiO₂•nH₂O．请用化学原理解释其原因．

Answer 1

分析 钛矿工业中的酸性废水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，加入铁粉还原铁离子得到亚铁离子，通过蒸发浓缩、冷却结晶过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体，配制成溶液调节溶液PH5-5.8范围内，加入足量碳酸氢铵，过滤得到碳酸亚铁沉淀，在坩埚中灼烧得到氧化铁，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，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的方向移动，可得到TiO₂粗产品，以此解答该题，
（1）步骤Ⅰ发生反应是加入铁粉，是和铁离子、氢离子发生反应；
（2）检验亚铁离子的方法可以是加入KSCN溶液再通入氯气或利用特征试剂铁氰化钾检验；
（3）操作A是溶液中得到溶质固体，方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤、干燥，碳酸氢铵受热分解；
（4）步骤Ⅳ发生反应是碳酸亚铁高温灼烧生成氧化铁和二氧化碳；
（5）室温下测得溶液的pH为8.5，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.5}}$=1×10^-5.5，由溶度积常数计算；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），平衡正向进行；

解答 解：钛矿工业中的酸性废水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，加入铁粉还原铁离子得到亚铁离子，通过蒸发浓缩、冷却结晶过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体，配制成溶液调节溶液PH5-5.8范围内，加入足量碳酸氢铵，过滤得到碳酸亚铁沉淀，在坩埚中灼烧得到氧化铁，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，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的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
（1）步骤Ⅰ发生反应是加入铁粉，首先发生Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，其次发生Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑，
故答案为：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑；
（2）步骤Ⅰ后所得溶液中Fe²⁺的检验方法是：取少量溶液于试管中，滴入几滴KSCN溶液，振荡，溶液不变色；再加入几滴氯水，溶液变红色（或取少量溶液于试管中，滴入几滴铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀），
故答案为：取少量溶液于试管中，滴入几滴KSCN溶液，振荡，溶液不变色；再加入几滴氯水，溶液变红色（或取少量溶液于试管中，滴入几滴铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀）；
（3）操作A是溶液中得到溶质固体，方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤、干燥，步骤Ⅲ中反应温度
一般需控制在35℃以下，其目的是：为了避免温度过高碳酸氢铵分解，减少铁离子的水解程度，
故答案为：蒸发浓缩；冷却结晶；为了避免温度过高碳酸氢铵分解，减少铁离子的水解程度；
（4）步骤Ⅳ发生反应是碳酸亚铁高温灼烧生成氧化铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：4FeCO₃+O₂ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
故答案为：4FeCO₃+O₂ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂；
（5）室温下测得溶液的pH为8.5，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.5}}$=1×10^-5.5，由题中数据可知，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，故无Fe（OH）₂沉淀生成，
故答案为：没有；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，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的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
故答案为：因为存在TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，当加入Na₂CO₃后，CO₃^2-结合H⁺，c（H⁺）减小，TiO²⁺水解平衡正向移动；

点评 本题考查化学实验基本操作方法的综合应用，为高考常见题型，题目难度中等，侧重于学生的分析能力、实验能力的考查，注意把握实验的原理和目的，为解答该类题目的关键，注意物质的性质，结合题给信息解答，试题有利于提高学生的分析、理解能力及化学实验能力．