Question

金属钛（Ti）性能优越，被称为继铁、铝之后的“第三金属”．工业上以钛铁矿（主要成分FeTiO₃，含FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质）为主要原料冶炼金属钛，其生产的工艺流程图如图1：

已知：2H₂SO₄（浓）+FeTiO₃═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O
（1）步骤I中发生反应的离子方程式：

 

、

 

．
（2）已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中．25℃时，难溶电解质溶解度与pH关系如图2，TiO（OH）₂溶度积K_sp=1×10^-29

①步骤Ⅲ加入铁屑原因是

 

．
②TiO²⁺水解的离子方程式为

 

．向溶液Ⅱ中加入Na₂CO₃粉末的作用是

 

．当溶液pH=

 

时，TiO（OH）₂已沉淀完全．
（3）TiCl₄→Ti反应后得到Mg、MgCl₂、Ti的混合物，可采用真空蒸馏的方法分离得到Ti，依据如表信息，需加热的温度略高于

 

℃即可．

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔点/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸点/℃	136.4	1090	1412	3287

（4）电解TiO₂制备钛的方法如图3所示．该方法由于具备生产过程简化、生产成本低、产品质量高、环境友好等诸多优点而引人注目．已知TiO₂熔融状态下不发生电离，电解时阴极反应式为

 

．

Answer 1

考点：制备实验方案的设计

专题：实验设计题

分析：（1）根据钛铁矿的成分可知与氢氧化钠溶液反应的物质是氧化铝和二氧化硅，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①根据实验目的结合TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH分析；
②TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺，离子方程式为TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺； 从流程图中可看出加入碳酸钠溶液后得到TiO（OH）₂沉淀分析加入Na₂CO₃粉末的作用；根据图判断pH证明TiO（OH）₂已沉淀完全；
（3）根据Mg、MgCl₂、Ti的熔沸点分析；
（4）根据电解时阴极发生还原反应，结合TiO₂熔融状态下不发生电离书写；

解答： 解：（1）根据钛铁矿的成分可知与氢氧化钠溶液反应的物质是氧化铝和二氧化硅，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；故答案为：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（2）①由图可知TiO（OH）₂与Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入铁粉目的是将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀，故答案为：将Fe³⁺转化为Fe²⁺，防止Fe³⁺与TiO²⁺同时生成沉淀；
②TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中，所以TiO²⁺水解生成TiO（OH）₂与H⁺，离子方程式为TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；从流程图中可看出加入碳酸钠溶液后得到TiO（OH）₂沉淀，所以向溶液II中加入Na₂CO₃粉末的作用是调节溶液pH值，使TiO²⁺水解平衡正向移动；由图可知，pH=2时TiO（OH）₂已沉淀完全，
故答案为：TiO²⁺+2H₂O?TiO（OH）₂+2H⁺；调节溶液pH值，促进TiO²⁺水解； 2；
（3）Mg、MgCl₂的沸点最高是1412℃，而Ti的熔点为1667℃，所以当温度略高于1412℃时Mg、MgCl₂以气体的形式除去，得到Ti，故答案为：1412；
（4）电解时阴极发生还原反应，因为TiO₂熔融状态下不发生电离，所以是TiO₂得电子生成Ti单质和O^2-，电极反应式为TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，
故答案为：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；

点评：本题综合考查了元素化合物的性质知识，注意物质分离的流程分析判断，物质性质的应用，离子性质的应用，分离操作的方法，电解池原理的应用，电极反应的书写原则等，要求学生具有分析和解决问题的能力，有利于培养学生的良好的科学素养，题目难度中等．