Question

5．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[主要成分是钛酸亚铁（FeTiO₃），含有Fe（Ⅲ）等杂质]，同时获得副产品甲的工业生产流程如下：

（1）浓硫酸处理钛铁矿时产物之一是TiOSO₄，反应中无气体放出，写出该反应的化学方程式FeTiO₃+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O
（2）上述生产流程中加入铁屑的目的是防止Fe²⁺氧化成Fe³⁺，可循环利用的物质是硫酸，检验副产品甲是否变质的实验方法是取副产品溶于水，滴入KSCN溶液变血红色证明副产品甲变质，若溶液不产生血红色，则甲不变质
（3）溶液Ⅰ中含有Fe²⁺、TiO²⁺和少量Mg²⁺等阳离子．常温下，其对应氢氧化物的K_sp如下表所示．

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，若所得溶液中Mg²⁺的物质的量浓度为0.0018mol/L，当pH等于10时，Mg（OH）₂开始沉淀
②若将含有Fe²⁺、TiO²⁺和Mg²⁺的溶液加水稀释，立即析出大量白色沉淀，写出该反应的离子方程式：TiO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂↓+2H⁺．
（4）中间产品乙是一种氧化物，其经高温与氯气、焦炭反应，除生成TiCl₄外，还生成了一种可燃性气体，请写出该反应的化学方程式TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．
（5）Mg还原TiCl₄过程中必须在1070K的温度下进行，你认为还原控制的反应条件是隔绝空气，反应后的产物需要加入稀盐酸（或稀硫酸）溶解后才能达到提纯金属钛的目的．

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）浓硫酸处理钛铁矿时产物之一是TiOSO₄，反应中无气体放出，同时生成硫酸亚铁和水；
（2）铁能够与铁离子反应，加入铁粉可防止铁离子氧化；可循环利用的物质是硫酸；根据流程可知副产品甲为FeSO₄•7H₂O，已经亚铁离子的还原性易被氧化为铁离子，铁离子遇到KSCN溶液显示血红色设计实验检验是否变质；
（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）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；
（5）为防止碳与氧气反应，应可绝空气加热；反应后的产物需要加稀酸溶解后才能达到提纯金属钛的目的．

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（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）加入浓硫酸，FeTiO₃发生反应：FeTiO₃+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O，
故答案为：FeTiO₃+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiOSO₄（硫酸氧钛）+FeSO₄+2H₂O；
（2）铁可与Fe³⁺反应生成Fe²⁺，加入铁屑，可防止Fe²⁺氧化，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，检验副产品甲是否变质的实验方法是取副产品溶于水，滴入KSCN溶液变血红色证明副产品甲变质，若溶液不产生血红色，则甲不变质，
故答案为：防止Fe²⁺氧化成Fe³⁺；硫酸；取副产品溶于水，滴入KSCN溶液变血红色证明副产品甲变质，若溶液不产生血红色，则甲不变质；
（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⁺；
（4）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；
（5）为防止碳与氧气反应，应可绝空气加热，反应后的产物需要加入稀盐酸（或稀硫酸）镁溶解后才能达到提纯金属钛的目的，
故答案为：隔绝空气；稀盐酸（或稀硫酸）．

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．