Question

3．钛矿工业中的酸性废水富含Ti，Fe等元素，其综合利用如图：

已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中．
（l）TiO²⁺钛的化合价为+4
（2）步骤I中检验钛矿废水中加入铁屑是否足量的试剂是BD．
A．稀H₂SO₄   B．NaOH溶液  C．Zn片  D．KSCN溶液
（3）操作a是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤．操作a使用的玻璃仪器是玻璃杯、酒精灯和漏斗．
（4）步骤Ⅲ中反应温度一般需控制在35℃以下，其目的是避免温度过高碳酸氢铵分解，减少铁离子的水解程度．
（5）已知K_sp（Fe（OH）₂）=8×10^-16，步骤Ⅲ中，FeCO₃达到溶解平衡时，若室温下测得溶液的pH为8.5，c（Fe²⁺）=1×10^-6 mol/L．试判断所得的FeCO₃中没有（填“有”或“没有”）Fe（OH）₂；步骤Ⅳ中，为了得到较为纯净的Fe₂O₃，除了适当的温度外，还需要采取的措施是向容器中补充适量的空气．
（6）向“富含TiO²⁺溶液”中加入Na₂CO₃粉末得到固体TiO₂•nH₂O．请结合原理和化学用语解释其原因溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•nH₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），促进水解平衡向生成TiO₂•nH₂O的方向移动．
（7）a操作前最好增加一步操作，此操作是过滤．

Answer 1

分析 钛矿工业中的酸性废水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，加入铁粉还原铁离子得到亚铁离子，通过蒸发浓缩、冷却结晶过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体，配制成溶液调节溶液pH5-5.8范围内，加入足量碳酸氢铵，过滤得到碳酸亚铁沉淀，在坩埚中灼烧得到氧化铁，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
（1）离子中个元素化合价代数和等于离子所带电荷数计算，元素为-2价；
（2）通过检验是否含铁离子来判断步骤I中检验钛矿废水中加入铁屑是否足量；
（3）溶液中得到溶质固体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤；
（4）反应温度一般需控制在35℃以下，是为了避免温度过高碳酸氢铵分解，减少铁离子的水解程度；
（5）根据溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²与K_sp[Fe（OH）₂]比较，可判断有无Fe（OH）₂沉淀，保证二价铁被氧化为三价需要多通入空气或氧气；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动；
（7）步骤Ⅰ所得溶液中含有难溶物Fe，在步骤a操作前最好将过量的铁粉除去．

解答 解：钛矿工业中的酸性废水富含Ti、Fe等元素，含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，加入铁粉还原铁离子得到亚铁离子，通过蒸发浓缩、冷却结晶过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体，配制成溶液调节溶液pH5-5.8范围内，加入足量碳酸氢铵，过滤得到碳酸亚铁沉淀，在坩埚中灼烧得到氧化铁，过滤后得到富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
（1）离子中个元素化合价代数和等于离子所带电荷数计算，元素为-2价，则TiO²⁺钛的化合价为+4价，
故答案为：+4；
（2）步骤I中检验钛矿废水中加入铁屑是否足量的试剂是检验是否含铁离子，可以选择加入NaOH溶液或KSCN溶液，如：加入硫氰化钾后溶液变红色证明铁加入不足，如溶液不变红色证明铁粉加入足量，
故答案为：BD；
（3）操作a是溶液中得到溶质固体，方法是蒸发浓缩、冷却结晶过滤；操作a用到的玻璃仪器有：玻璃杯、酒精灯和漏斗，
故答案为：过滤；玻璃杯、酒精灯和漏斗；
（4）步骤Ⅲ中发生反应是硫酸亚铁和碳酸氢铵反应生成碳酸亚铁充电、硫酸铵、二氧化碳和水，反应的化学方程式为：FeSO₄+2NH₄HCO₃=FeCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+H₂O+CO₂↑，为了避免温度过高碳酸氢铵分解、减少铁离子的水解程度，反应温度一般需控制在35℃以下，
故答案为：避免温度过高碳酸氢铵分解，减少铁离子的水解程度；
（5）室温下测得溶液的pH为8.5，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.5}}$=1×10^-5.5，由题中数据可知，溶液中c（Fe²⁺）•c（OH^-）²=1×10^-6×（1×10^-5.5）²=1×10^-17＜K_sp[Fe（OH）₂]=8×10^-16，故无Fe（OH）₂沉淀生成，
故答案为：没有；向容器中补充适量的空气；
（6）富含的TiO²⁺溶液，加入Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），使平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺向生成TiO₂•n H₂O的方向移动，可得到TiO₂粗产品，
故答案为：溶液中存在水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂•n H₂O+2H⁺，加入的Na₂CO₃粉末与H⁺反应，降低了溶液中c（H⁺），促进水解平衡向生成TiO₂•n H₂O的方向移动；
（7）步骤Ⅰ所得溶液中含有过量的铁粉，为了避免过滤得到碳酸亚铁沉淀混有铁粉，在a操作前最好增加过滤操作，
故答案为：过滤．

点评 本题考查化学实验基本操作方法的综合应用，为高考常见题型，题目浓度较大，侧重于学生的分析能力、实验能力的考查，注意把握实验的原理和目的，为解答该类题目的关键，注意物质的性质，结合题给信息解答，试题有利于提高学生的分析、理解能力及化学实验能力．