Question

11．金属钛（Ti）因其硬度大、熔点高、常温时耐酸碱腐蚀而被广泛用作高新科技材料，被誉为“未来金属”．以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛同时获得副产品甲的工业生产流程如图，回答下列问题：

（1）钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成．反应的化学方程式为FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）上述生产流程中加入Fe屑的目的是防止Fe²⁺氧化．
（3）此时溶液Ⅰ中含有Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等阳离子．常温下

氢氧化物	Fe（OH）2	TiO（OH）2	Mg（OH）2
Ksp	8.0×10-16	1.0×10-29	1.8×10-11

①常温下若将溶液中Mg²⁺的物质的量浓度为 0.0018mol/L，当溶液的pH等于防止Fe²⁺氧化时，Mg²⁺开始沉淀．
②若将含有Fe²⁺、TiO²⁺和Mg²⁺的溶液加水稀释，立即析出一种白色沉淀，写出该反应的离子方程式：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺； TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺．
（4）Mg还原TiCl₄过程中必须在1070K的温度下进行，还需要的条件是隔绝空气．
（5）在800℃～1000℃时电解TiO₂也可制得海绵钛，装置如图所示．图中b是电源的正  极，阴极的电极反应式TiO₂+4e^-→Ti+2O^2-．

Answer 1

分析 钛铁矿和浓硫酸混合，钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，浓硫酸具有强氧化性，+2价Fe具有还原性，则+2价Fe被浓硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、铁屑，发生反应2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降过滤，滤液I中溶质为TiOSO₄和FeSO₄，将滤液冷却结晶得到副产品甲和溶液II，根据流程图中溶液II中含有TiOSO₄，则副产品甲为绿矾FeSO₄•7H₂O，先将溶液II中加入水并加热，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后过滤回收硫酸，同时得到H₂TiO₃，煅烧H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，乙能和氯气、C在高温下发生氧化还原反应生成TiCl₄，则乙是TiO₂，在高温条件下，用Mg和四氯化钛发生置换反应生成Ti，
（1）钛铁矿精矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，依据氧化还原反应分析，应生成硫酸亚铁和水；
（2）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；
（3）①依据氢氧化镁的溶度积常数进行计算即可；
②已知TiO²⁺发生水解生成钛酸（H₂TiO₃）沉淀，根据元素守恒写出反应的离子方程式；
（4）为防止碳与氧气反应，应可绝空气加热；
（5）电解池的阳极发生失电子的氧化反应；电解池的阴极发生得电子的还原反应；电解TiO₂也可制得海绵钛，变化是二氧化钛在阴极得到电子发生还原反应；

解答 解：钛铁矿和浓硫酸混合，钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，浓硫酸具有强氧化性，+2价Fe具有还原性，则+2价Fe被浓硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、铁屑，发生反应2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降过滤，滤液I中溶质为TiOSO₄和FeSO₄，将滤液冷却结晶得到副产品甲和溶液II，根据流程图中溶液II中含有TiOSO₄，则副产品甲为绿矾FeSO₄•7H₂O，先将溶液II中加入水并加热，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后过滤回收硫酸，同时得到H₂TiO₃，煅烧H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，乙能和氯气、C在高温下发生氧化还原反应生成TiCl₄，则乙是TiO₂，在高温条件下，用Mg和四氯化钛发生置换反应生成Ti，
（1）钛铁矿精矿和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO₄，反应中无气体生成，依据氧化还原反应分析，应生成硫酸亚铁和水，反应的化学方程式为：FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，
故答案为：FeTiO₃+H₂SO₄（浓）=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）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，
故答案为：防止Fe²⁺氧化；
（3）①K_sp[Mg（OH）₂]=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=1.8×10^-11，故c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1.8×1{0}^{-11}}{0.0018}}$=10^-4，故c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-4}}$=10^-10，故此时pH=10，
故答案为：10；
②已知TiO²⁺发生水解生成钛酸（H₂TiO₃）沉淀和氢离子，其离子方程式为：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，
故答案为：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺； TiO²⁺+2H₂O═TiO（OH）₂↓（或H₂TiO₃）+2H⁺；
（4）为防止碳与氧气反应，应可绝空气加热，
故答案为：隔绝空气；
（5）电解池的阳极是氧离子发生失电子的氧化反应，导致氧气等气体的出现，所以电极反应式为：2O^2-→O₂↑+4e^-，电解池的阴极发生得电子的还原反应，是二氧化钛电极本身得电子的过程，即TiO₂+4e^-→Ti+2O^2-；电解池中，电解质里的阴离子O^2-、Cl^-均移向阳极，
故答案为：正；TiO₂+4e^-→Ti+2O^2-；

点评 本题考查物质的制备实验方案的设计，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，难度中等，注意把握实验的基本原理和物质的性质．