Question

金属钛素有“太空金属”、“未来金属”等美誉．工业上，以钛铁矿为原料制备二氧化钛并得到副产品FeSO₄?7H₂O（绿矾）的工艺流程如下图所示．

已知：TiO²⁺在一定条件下会发生水解；钛铁矿主要成分为钛酸亚铁（FeTiO₃），含有少量SiO₂杂质；其中一部分铁元素在钛铁矿处理过程中会转化为+3价．
（1）黑钛液中生成的主要阳离子有TiO²⁺和Fe²⁺，写出步骤①化学反应方程式：

 

；步骤②中，加入铁粉的主要目的是

 

．
（2）步骤③中，实现混合物的分离是利用物质的

 

（填字母序号）．
a．熔沸点差异　　　　b．溶解性差异　　　 c．氧化性、还原性差异
（3）步骤②、③、④中，均涉及到的操作是

 

（填操作名称）；在实验室完成步骤⑤“灼烧”所需主要仪器有

 

．
（4）请结合化学用语用化学平衡理论解释步骤④中将TiO²⁺转化为Ti（OH）₄的原因：

 

．
（5）可以利用生产过程中的废液与软锰矿（主要成分为MnO₂）反应生产硫酸锰（MnSO₄，易溶于水），该反应的离子方程式为

 

．
（6）实验室通过下面方法可测定副产品绿矾中FeSO₄?7H₂O的质量分数．
a．称取2.85g绿矾产品，溶解，在250mL容量瓶中定容；
b．量取25.00mL待测溶液于锥形瓶中；
c．用硫酸酸化的0.01mol/LKMnO₄溶液滴定至终点，消耗KMnO₄溶液体积的平均值为19.00mL（滴定时发生反应的离子方程式为：Fe²⁺+MnO₄^-+H⁺→Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O 未配平 ）．
计算上述样品中FeSO₄?7H₂O的质量分数为

 

（用小数表示，保留二位小数）．

Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用,探究物质的组成或测量物质的含量

专题：实验设计题

分析：流程分析：第①步加酸溶解生成TiO²⁺和Fe²⁺，第②步加铁粉还原Fe³⁺，过滤除去滤渣，第③步冷却结晶，过滤得到FeSO₄?7H₂O和含有TiO²⁺的溶液；第④步调节PH，使TiO²⁺水解生成Ti（OH）₄，过滤得到Ti（OH）₄；第⑤步Ti（OH）₄受热分解生成化生成TiO₂．
（1）FeTiO₃与H₂SO₄反应生成FeSO₄、TiOSO₄和H₂O；
（2）步骤③中，利用绿矾与TiOSO₄的溶解性的差异实现混合物的分离；
（3）步骤②、③、④中均为分离固液混合物的操作；灼烧固体在坩埚中进行；
（4）升高温度促进水解平衡正移；
（5）生产过程中的废液含有Fe²⁺，与MnO₂发生氧化还原反应；
（6）依据滴定实验的反应终点时发生的反应进行计算，依据铁元素守恒，结合滴定过程的反应离子方程式计算得到．

解答： 解：流程分析：第①步加酸溶解生成TiO²⁺和Fe²⁺，第②步加铁粉还原Fe³⁺，过滤除去滤渣，第③步冷却结晶，过滤得到FeSO₄?7H₂O和含有TiO²⁺的溶液；第④步调节PH，使TiO²⁺水解生成Ti（OH）₄，过滤得到Ti（OH）₄；第⑤步Ti（OH）₄受热分解生成化生成TiO₂．
（1）FeTiO₃与H₂SO₄反应生成FeSO₄、TiOSO₄和H₂O，则其化学反应方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O；亚铁离子易被氧化，则加入铁粉的主要目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺并防止Fe²⁺被氧化；
故答案为：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O；将Fe³⁺转化为Fe²⁺并防止Fe²⁺被氧化；
（2）步骤③中，利用绿矾与TiOSO₄的溶解性的差异实现混合物的分离，把混合物的溶液冷却结晶得到绿矾固体，故答案为：b；
（3）步骤②、③、④中均为分离固液混合物的操作，则操作为过滤；灼烧固体一般在坩埚中进行，故答案为：过滤；坩埚；
（4）TiO²⁺在一定条件下会发生水解生成Ti（OH）₄和氢离子，溶液中存在平衡：TiO²⁺+3H₂O Ti（OH）₄+2H⁺，升高温度促进水解平衡正移，生成Ti（OH）₄；
故答案为：溶液中存在平衡：TiO²⁺+3H₂O Ti（OH）₄+2H⁺，当加入热水稀释、升温后，平衡正向移动，生成Ti（OH）₄；
（5）生产过程中的废液含有Fe²⁺，与MnO₂发生氧化还原反应生成硫酸锰，其反应的离子方程式为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺═Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺═Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（6）5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O
      5         1
   n（Fe²⁺）   0.01mol/L×0.019L
计算得到：n（Fe²⁺）=0.00095mol；
则250mL溶液中含Fe²⁺为0.00095mol×

250

25

=0.0095mol；
FeSO₄?7H₂O物质的量为0.0095mol，其质量为0.0095mol×278g/mol=2.641g
绿矾的质量分数=

2.641g

2.85g

=0.93，
故答案为：0.93．

点评：本题考查了物质制备流程分析判断，实验基本操作，离子方程式的书写，数据计算等，题目涉及的知识点较多，综合性强，考查学生对所学知识的综合应用能力，题目难度中等．