Question

4．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：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O；步骤②中，加入铁粉的主要目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺并防止Fe²⁺被氧化．
（2）步骤③中，实现混合物的分离是利用物质的b（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，均涉及到的操作是过滤（填操作名称）；该操作所需玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒．
（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：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）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MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺═Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．

Answer 1

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；根据过滤的操作过程和仪器组装来判断用到什么仪器；
（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．

解答 解：（1）钛铁矿粉主要成分的化学式为FeTiO₃，其中铁元素的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，钛的化合价为+4价，黑钛液中生成的主要阳离子有TiO²⁺和Fe²⁺，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，过滤时需要制作过滤器的漏斗、固定仪器的铁架台、引流用的玻璃棒、承接滤液的烧杯，
故答案为：过滤；烧杯、漏斗、玻璃棒；
（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．

点评 本题考查了物质制备流程分析判断，实验基本操作，离子方程式的书写等，考查学生对所学知识的综合应用能力，注意物质分离的流程分析判断，物质性质的应用，题目难度中等．