Question

9．金属钛（Ti）因其硬度大、熔点高、常温时耐酸碱腐蚀等性质被广泛用在高新科技材料和航天领域中．
“硫酸法”生产钛的原料是钛铁矿（主要成分是：FeTiO₃，还含有少量Mn、Cr等重金属元素及脉石等杂质）；主要生产流程如图：
已知反应：
①将钛铁矿与浓H₂SO₄共热：FeTiO₃+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O．
②加水热分解硫酸氧钛：TiOSO₄+（n+1）H₂O $\frac{\underline{\;△\;}}{\;}$TiO₂•nH₂O↓（钛酸）+H₂SO₄．
请回答下列问题：
（1）副产品甲是FeSO₄•7H₂O，可循环利用的物质是硫酸．
（2）上述生产流程中加入铁屑的目的是防止Fe²⁺被氧化，用离子方程式表示其原理：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．
（3）写出中间产品乙与焦炭、氯气在高温下发生反应的方程式为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．
（4）在稀有气体（如氩）氛围和高温的条件下，用镁和TiCl₄反应可得钛．写出反应的化学方程式：2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂稀有气体氛围的作用：防止钛被氧化．
（5）“硫酸法”生产钛排放的废液对水体有哪些污染，请指出主要的两点：
①酸污染；②重金属离子（Cu²⁺、Cr³⁺等）污染．

Answer 1

分析 由流程可知，钛铁矿（主要成分是：FeTiO₃，还含有少量Mn、Zn、Cr、Cu等重金属元素及脉石等杂质）中加入浓硫酸，FeTiO₃发生反应：FeTiO₃+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O，钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，加入铁屑，可防止Fe²⁺氧化，溶液Ⅰ中含有FeSO₄和TiOSO₄，溶液Ⅱ主要含有TiOSO₄，加入水，加热可水解生成H₂TiO₃，经煅烧可生成TiO₂，用氯气、碳反应可生成TiCl₄，高温条件下与镁反应可生成Ti，
（1）根据流程可知副产品甲为FeSO₄•7H₂O，可循环利用的物质是硫酸；
（2）铁能够与铁离子反应，加入铁粉可防止铁离子氧化；
（3）乙为TiO₂，反应物为乙为TiO₂、氯气、C，反应产物为四氯化钛和CO，反应条件为高温，据此写出反应的化学方程式；
（4）根据元素守恒可知，镁和TiCl₄反应可得钛和氯化镁，据此写化学方程式，钛能被氧化；
（5）“硫酸法”排放的废液为酸性，会产生酸污染；与Ti共存的其它重金属的废液对水体有污染，可以用熟石灰治理污染．

解答 解：钛铁矿（主要成分是：FeTiO₃，还含有少量Mn、Zn、Cr、Cu等重金属元素及脉石等杂质）中加入浓硫酸，FeTiO₃发生反应：FeTiO₃+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$（浓）TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O，钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，加入铁屑，可防止Fe²⁺氧化，溶液Ⅰ中含有FeSO₄和TiOSO₄，溶液Ⅱ主要含有TiOSO₄，加入水，加热可水解生成H₂TiO₃，经煅烧可生成TiO₂，用氯气、碳反应可生成TiCl₄，高温条件下与镁反应可生成Ti，
（1）从流程图硫酸与过量的铁反应可知，副产品甲是FeSO₄•7H₂O，可循环利用的物质是硫酸，
故答案为：FeSO₄•7H₂O；硫酸；
（2）铁可与Fe³⁺反应生成Fe²⁺，加入铁屑，可防止Fe²⁺氧化，离子方程式为2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，
故答案为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；
（3）中间产物乙为TiO₂，TiO₂与焦炭、氯气在高温下发生反应生成四氯化钛和一氧化碳，反应的方程式为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
故答案为：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；
（4）根据元素守恒可知，镁和TiCl₄反应可得钛和氯化镁，化学方程式为2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂，钛能被氧化，所以稀有气体氛围能防止钛被氧化，
故答案为：2Mg+TiCl₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Ti+2MgCl₂；防止钛被氧化；
（5）硫酸法生产钛排放的废液为酸性，会产生酸污染，并且与Ti共存的其它重金属的废液对水体有污染，
故答案为：①酸污染  ②重金属离子（Cu²⁺、Cr³⁺等）污染．

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．