Question

15．工业上由钛铁矿（主要成分FeTiO₃，含Fe₂O₃、A1₂O₃、FeO、SiO₂等杂质）制备TiCl₄的工艺流程如图：

已知：①酸浸  FeTiO₃（s）+2H₂SO₄（aq）═FeSO₄（aq）+TiOSO₄（sq）+2H₂O（l）
②水解  TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）$\frac{\underline{\;90℃\;}}{\;}$H₂TiO₃（s）+H₂SO₄（aq）
③煅烧  H₂TiO₃（s）$\frac{\underline{\;煅烧\;}}{\;}$TiO₂（s）+H₂O（g）
（1）FeTiO₃中钛元素的化合价为+4，试剂A为Fe．
（2）碱浸过程发生的离子反应方程式为Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O．
（3）酸浸后需将溶液温度冷却至70℃左右，若温度过高会导致最终产品收率过低，原因是温度过高水导致TiOSO₄提前水解生成H₂TiO₃沉淀．
（4）上述流程中氯化过程的化学反应方程式为TiO₂+C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ TiCl₄ +CO₂．
已知TiO₂（s）+2Cl₂（g）?TiCl₄（1）+O₂（g）△H=+15l kJ•mol^-1．该反应极难进行，当向反应体系中加入碳后，则反应在高温条件下能顺利发生．从化学平衡的角度解释原因是C与氧气反应减小氧气浓度，使平衡正向移动，C与氧气反应为放热反应，温度升高，使平衡正向移动，促使反应顺利进行．
（5）TiCl₄极易水解，利用此性质可制备纳米级TiO₂•xH₂O，该反应的化学方程式是TiCl₄+（x+2）H₂O=TiO₂•xH₂O+4HCl．

Answer 1

分析 钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、Fe₂O₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有TiOSO₄、Fe₂（SO₄）₃、FeSO₄及未反应的硫酸等，加入试剂A后冷却、结晶、过滤得到硫酸亚铁晶体，则A为Fe，将Fe³⁺转化为Fe²⁺．滤液进行水解得到H₂TiO₃，用硫酸洗去杂化，再煅烧得到TiO₂，TiO₂、C、Cl₂反应得到TiCl₄及CO₂．
（1）反应①为非氧化还原反应，结合化合价代数和为0计算；
（2）氧化铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠与水，二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠与水；
（3）温度过高水导致TiO²⁺水解；
（4）氯化过程是TiO₂、C、Cl₂反应得到TiCl₄及CO₂；
C与氧气反应降低氧气浓度，C与氧气反应为放热反应，有利于平衡正向移动；
（5）TiCl₄极易水解得到TiO₂•xH₂O，还生成HCl．

解答 解：钛铁矿用氢氧化钠溶液溶解，氧化铝、二氧化硅反应溶解，过滤得到钛铁矿精矿中主要含有FeTiO₃、Fe₂O₃、FeO，再用浓硫酸处理，得到强酸性溶液中含有TiOSO₄、Fe₂（SO₄）₃、FeSO₄及未反应的硫酸等，加入试剂A后冷却、结晶、过滤得到硫酸亚铁晶体，则A为Fe，将Fe³⁺转化为Fe²⁺．滤液进行水解得到H₂TiO₃，用硫酸洗去杂化，再煅烧得到TiO₂，TiO₂、C、Cl₂反应得到TiCl₄及CO₂．
（1）反应①为非氧化还原反应，结合化合价代数和为0，可知FeTiO₃中钛元素的化合价为+4，由上述分析可知A为Fe，
故答案为：+4；Fe；
（2）氧化铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠与水，二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠与水，相应反应离子方程式为：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O、SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O，
故答案为：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；SiO₂+2OH^-═SiO₃^2-+H₂O；
（3）温度过高水导致TiOSO₄提前水解生成H₂TiO₃沉淀，Ti元素利用率减小，
故答案为：温度过高水导致TiOSO₄提前水解生成H₂TiO₃沉淀；
（4）氯化过程是TiO₂、C、Cl₂反应得到TiCl₄及CO₂，反应方程式为：TiO₂+C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ TiCl₄ +CO₂，
C与氧气反应减小氧气浓度，使平衡正向移动，C与氧气反应为放热反应，温度升高，使平衡正向移动，促使反应顺利进行，
故答案为：TiO₂+C+2Cl₂$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ TiCl₄ +CO₂；C与氧气反应减小氧气浓度，使平衡正向移动，C与氧气反应为放热反应，温度升高，使平衡正向移动，促使反应顺利进行；
（5）TiCl₄极易水解得到TiO₂•xH₂O，还生成HCl，反应方程式为：TiCl₄+（x+2）H₂O=TiO₂•xH₂O+4HCl，
故答案为：TiCl₄+（x+2）H₂O=TiO₂•xH₂O+4HCl．

点评 本题综合考查物质制备实验，关键是对工艺流程原理的理解，注意分析工艺流程中试剂线、原理线、操作线，要求学生具有一定分析和解决问题的能力，题目难度中等．