Question

1．随着不断向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行业推广，钛金属日益被人们重视，被誉为“现代金属”和“战略金属”，是提高国防装备水平不可或缺的重要战略物资．工业主要以二氧化钛为原料冶炼金属钛．
（1）Ⅰ．二氧化钛可由以下两种方法制备：
方法1：可用含有Fe₂O₃的钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，其中Ti元素化合价为+4价）制取，其主要流程如下：

（1）由滤液获得绿矾晶体的操作过程是蒸发、冷却、结晶、过滤．
（2）甲溶液中除含TiO²⁺之外还含有的金属阳离子有Fe³⁺、Fe²⁺．
（3）已知10 kg该钛铁矿中铁元素的质量分数为33.6%，能够得到绿矾晶体22.24 kg，试计算最少加入铁粉的质量．
方法2：TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O，过滤、水洗除去其中的Cl^-，再烘干、焙烧除去水分得到粉体TiO₂，此方法制备得到的是纳米二氧化钛．
（4）①TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O的化学方程式为TiCl₄+（x+2）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
②检验TiO₂•xH₂O中Cl^-是否被除净的方法是取最后一次洗涤液少量，滴加硝酸酸化的AgNO₃溶液，不产生白色沉淀，说明Cl^-已除净．
Ⅱ．二氧化钛可用于制取钛单质
（5）TiO₂制取单质Ti，涉及的步骤如下：TiO₂$\stackrel{①}{→}$TiCl₄$→_{Mg_{800}℃}^{②}$Ti
反应②的化学方程式是TiCl₄+2Mg$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2MgCl₂+Ti，该反应成功需要的其他条件及原因是稀有气体保护，防止高温下Mg（Ti）与空气中的O₂（或CO₂、N₂）作用．

Answer 1

分析 钛铁矿和过量稀硫酸混合，FeTiO₃和稀硫酸反应生成Fe²⁺、TiO²⁺，氧化铁和稀硫酸反应生成Fe³⁺，所以溶液甲中含有Fe²⁺、TiO²⁺、Fe³⁺，然后向溶液中加入Fe，Fe将Fe³⁺氧化生成Fe²⁺，然后过滤得到滤渣和滤液，滤液中含有硫酸亚铁，将滤液蒸发浓缩、冷却结晶得到绿矾和含有TiO²⁺溶液乙，通过一系列反应得到TiO₂；
（1）从溶液中获得绿矾晶体，应该采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤的方法；
（2）FeTiO₃和稀硫酸反应生成Fe²⁺、TiO²⁺，氧化铁和稀硫酸反应生成Fe³⁺；
（3）10 kg该钛铁矿中铁元素的质量分数为33.6%，该钛铁矿中Fe元素质量=10kg×33.6%=3.36kg，
绿矾晶体中Fe元素质量=$\frac{22.24×1{0}^{3}g}{278g/mol}×56g/mol$=4.48×10³g=4.48kg，根据Fe元素守恒计算；
（4）①TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O，同时生成HCl；
②氯离子用硝酸酸化的硝酸银溶液检验，如果有白色沉淀说明含有氯离子；
Ⅱ．在800℃条件下，四氯化钛和镁反应生成氯化镁和钛，Mg是活泼金属，能与空气中多种物质反应，因此可得出Ar气作用为保护气，防止Mg和空气中物质反应．

解答 解：钛铁矿和过量稀硫酸混合，FeTiO₃和稀硫酸反应生成Fe²⁺、TiO²⁺，氧化铁和稀硫酸反应生成Fe³⁺，所以溶液甲中含有Fe²⁺、TiO²⁺、Fe³⁺，然后向溶液中加入Fe，Fe将Fe³⁺氧化生成Fe²⁺，然后过滤得到滤渣和滤液，滤液中含有硫酸亚铁，将滤液蒸发浓缩、冷却结晶得到绿矾和含有TiO²⁺溶液乙，通过一系列反应得到TiO₂；
（1）从溶液中获得绿矾晶体，应该采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤的方法，所以由滤液获得绿矾晶体的操作过程是蒸发、冷却、结晶、过滤，故答案为：蒸发、冷却、结晶、过滤；
（2）FeTiO₃和稀硫酸反应生成Fe²⁺、TiO²⁺，氧化铁和稀硫酸反应生成Fe³⁺，所以甲中阳离子为Fe²⁺、TiO²⁺、Fe³⁺，
故答案为：Fe²⁺、Fe³⁺；
（3）10 kg该钛铁矿中铁元素的质量分数为33.6%，该钛铁矿中Fe元素质量=10kg×33.6%=3.36kg，
绿矾晶体中Fe元素质量=$\frac{22.24×1{0}^{3}g}{278g/mol}×56g/mol$=4.48×10³g=4.48kg，根据Fe元素守恒得需要加入Fe的质量=4.48kg-3.36kg=1.12kg，
答：最少加入Fe的质量为1.12kg；
（4）①TiCl₄水解生成TiO₂•xH₂O，同时生成HCl，反应方程式为TiCl₄+（x+2）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，
故答案为：TiCl₄+（x+2）H₂O（过量）?TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
②氯离子用硝酸酸化的硝酸银溶液检验，如果有白色沉淀说明含有氯离子，所以检验TiO₂•xH₂O中Cl^-是否被除净的方法是取最后一次洗涤液少量，滴加硝酸酸化的AgNO₃溶液，不产生白色沉淀，说明Cl^-已除净，
故答案为：取最后一次洗涤液少量，滴加硝酸酸化的AgNO₃溶液，不产生白色沉淀，说明Cl^-已除净；
Ⅱ．在800℃条件下，四氯化钛和镁反应生成氯化镁和钛，Mg是活泼金属，能与空气中多种物质反应，因此可得出Ar气作用为保护气，防止Mg和空气中物质反应．
（5）反应②的化学方程式是TiCl₄+2Mg$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2MgCl₂+Ti，稀有气体保护，防止高温下Mg（Ti）与空气中的O₂（或CO₂、N₂）作用，所以该反应成功需要的其他条件及原因稀有气体保护，防止高温下Mg（Ti）与空气中的O₂（或CO₂、N₂）作用，
故答案为：TiCl₄+2Mg$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2MgCl₂+Ti；稀有气体保护，防止高温下Mg（Ti）与空气中的O₂（或CO₂、N₂）作用．

点评 本题考查物质制备，为高频考点，侧重考查学生分析、判断及知识综合运用能力，明确流程图中发生的反应、分离提纯方法、元素化合物性质是解本题关键，知道氯离子检验方法及现象，注意：氯离子检验时要正确叙述操作方法、实验现象及得出结论，题目难度不大．