Question

5．二氧化鈦是制取航天航空工業(yè)鈦合金的重要原料．用鈦鐵礦[主要成分是鈦酸亞鐵（FeTiO₃），含少量Fe₂O₃、MgO、SiO₂等雜質(zhì)]作原料生產(chǎn)金屬鈦和綠礬（FeSO₄•7H₂O）等產(chǎn)品的一種工藝流程如下：
已知：Ti有兩種價態(tài)，在水溶液中主要以TiO²⁺（無色）、Ti³⁺（紫色）形式存在．

請回答下列問題：
（1）硫酸與FeTiO₃反應(yīng)生成TiOSO₄的化學(xué)方程式是FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）濾液1中加入適量鐵粉，至剛好出現(xiàn)紫色為止，此時溶液仍呈強(qiáng)酸性．
已知：氧化性：Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺．則加入鐵粉的作用是使Fe³⁺完全還原為Fe²⁺；同時避免過量的鐵將TiO²⁺還原成Ti³⁺，影響產(chǎn)品的純度．
（3）濾液2中加入適量的試劑A，可選用b（填編號）．
a．稀H₂SO₄b．MgCO₃c．通入CO₂d．鼓入空氣
（4）已知25℃，101kPa時，由二氧化鈦制取四氯化鈦所涉及的反應(yīng)有：
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（s）+O₂（g）△H₃=+141kJ•mol^-1
反應(yīng)TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）=TiCl₄（s）+2CO（g）△H=-80kJ•mol^-1．
（5）用石墨作陽極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，利用如圖所示裝置獲得金屬鈣，并以鈣為還原劑還原二氧化鈦制備金屬鈦．寫出陰極區(qū)反應(yīng)的電極總反應(yīng)式是TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-．

（6）假如FeTiO₃中的鐵元素占礦物中鐵元素總量的a%；某次生產(chǎn)中，向?yàn)V液1中加入純鐵粉為b kg，得到綠礬晶體的質(zhì)量為cKg，整個過程中鐵元素的總利用率為80%，Ti元素的轉(zhuǎn)化率為90%，其他損失忽略不計．按上述流程，得到TiO₂（3.247ac-12.86ab）×10^-3kg（用數(shù)字和字母表示）．[已知：M（FeSO₄•7H₂O）=278g•mol^-1]．

Answer 1

分析 鈦鐵礦用硫酸溶液溶解，過濾得強(qiáng)酸性溶液中含有TiOSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)的硫酸等，由圖1可知TiO（OH）₂與Fe（OH）₃沉淀的pH很接近，所以加入鐵粉目的是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，防止Fe³⁺與TiO²⁺同時生成沉淀，沉降分離得到溶液中主要含有Fe²⁺、TiO²⁺及硫酸根，再濃縮蒸發(fā)得到綠礬與溶液Ⅱ，溶液Ⅱ中含有TiOSO₄，加入碳酸鎂，調(diào)節(jié)pH，TiO（OH）₂沉淀完全，再經(jīng)過系列操作得到Ti．
（1）鈦鐵礦主要成分FeTiO₃與濃硫酸反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，結(jié)合原子守恒配平書寫化學(xué)方程式；
（2）濾液1中加入適量鐵粉至浸出液顯紫色，說明浸出液中含有Ti³⁺；
（3）加入MgCO₃粉末與H⁺反應(yīng)，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的方向移動，可得到TiO₂粗產(chǎn)品；
（4）根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計算；
（5）電解時，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ti；
（6）根據(jù)FeTiO₃中鐵與鈦的關(guān)系及鐵元素的守恒可計算．

解答 解：鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，含F(xiàn)e₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）加入濃硫酸加熱反應(yīng)得到固體熔塊，加入水水浸，得到浸取液中加入鐵屑防止亞鐵離子被氧化為鐵離子，過濾得到X晶體為為綠礬（FeSO₄•7H₂O）晶體和濾液TiOSO₄，加入水反應(yīng)生成H₂TiO₃，高溫煅燒得到二氧化鈦，
（1）鈦鐵礦主要成分FeTiO₃與濃硫酸反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，結(jié)合原子守恒配平書寫化學(xué)方程式為：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O，故答案為：FeTiO₃+2H₂SO₄═FeSO₄+TiOSO₄+2H₂O；
（2）加入鐵屑至浸出液顯紫色，說明浸出液中含有Ti³⁺，加入鐵屑作還原劑，將Fe³⁺還原為Fe²⁺，防止Ti³⁺被Fe³⁺氧化成TiO²⁺，故答案為：使Fe³⁺完全還原為Fe²⁺；同時避免過量的鐵將TiO²⁺還原成Ti³⁺，影響產(chǎn)品的純度；
（3）富含的TiO²⁺溶液，加入MgCO₃粉末與H⁺反應(yīng)，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的方向移動，可得到TiO₂粗產(chǎn)品，故答案為：b；
（4）由△H₃+△H₁×2-△H₂得：+141kJ•mol^-1+（-393.5kJ•mol^-1）×2-（-566kJ•mol^-1）=-80KJ/mol，故答案為：-80KJ/mol；
（5）電解時，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ti，電極方程式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-，故答案為：TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-；
（6）由FeTiO₃中鐵與鈦的關(guān)系的鈦的含量為：$\frac{48}{56}×a%$．
設(shè)鐵元素總質(zhì)量為xkg．
Fe～FeSO₄•7H₂O
56                                        278
xkg×80%                                ckg
x=$\frac{56c}{278×80%}$kg．
FeTiO₃中鐵的質(zhì)量為：（$\frac{56c}{278×80%}$kg-bkg）×a%．
又設(shè)得到TiO₂質(zhì)量為為ykg．
Ti～TiO₂
48    80
（$\frac{56c}{278×80%}$kg-bkg）×a%×$\frac{48}{56}$×90%          y 
y=（3.247ac-12.86ab）×10^-3  kg            
故答案為：（3.247ac-12.86ab）×10^-3．

點(diǎn)評 本題考查了硫酸法制取二氧化鈦實(shí)驗(yàn)，涉及物質(zhì)提純、分離、制備等流程分析判斷，把握物質(zhì)的性質(zhì)、反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)技能、關(guān)系式計算為解答的關(guān)鍵，題目難度中等．