Question

15．鈦被稱為“二十一世紀(jì)金屬”，工業(yè)上用鈦鐵礦制備金屬鈦的工藝流程如下：

已知：鈦鐵礦主要成分與濃硫酸反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiOSO₄和FeSO₄，TiOSO₄遇水會(huì)水解．
請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）操作1用到的玻璃儀器除燒杯外還有漏斗、玻璃棒，操作2是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾，副產(chǎn)品主要成分的化學(xué)式為FeSO₄
（2）請(qǐng)結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)解釋將TiO²⁺轉(zhuǎn)化為H₂TiO₃的原理溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加熱升溫后，平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃
（3）已知鈦的還原性介于鋁和鋅之間，估計(jì)鈦能耐腐蝕的原因之一是鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密），如果可從Za、Zn、Fe三種金屬中選一種金屬代替流程中的鎂，那么該金屬跟四氯化鈦反應(yīng)的化學(xué)方程式是TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl
（4）電解TiO₂來(lái)獲得Ti是以TiO₂作陰極，石墨為陽(yáng)極，熔融CaO為電解質(zhì)，用碳?jí)K作電解槽，其陰極反應(yīng)的電極反應(yīng)式為TiO₂+4e^-=Ti+2O^2-
（5）為測(cè)定溶液中TiOSO₄的含量，首先取待測(cè)鈦液10mL用水稀釋至100mL，加過(guò)量鋁粉，充分振蕩，使其完全反應(yīng)：3TiO²⁺+Al+6H⁺═3Ti³⁺+AlO³⁺+3H₂O，過(guò)過(guò)濾后，取出濾液20.00mL，向其中滴加2～3滴KSCN溶液作指示劑，用酸式滴定管（填一種玻璃儀器的名稱）滴加0.1000mol•L^-1FeCl₃溶液，發(fā)生Ti³⁺+Fe³⁺═Ti⁴⁺+Fe²⁺，當(dāng)溶液出現(xiàn)紅色達(dá)到滴定終點(diǎn)，用去了30.00mLFeCl₃溶液，待測(cè)鈦液中TiOSO₄的物質(zhì)的量濃度是1.50mol•L^-1．

Answer 1

分析 用濃硫酸處理鈦鐵礦，并向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，過(guò)濾得到濾液通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾得到TiO²⁺濾液，和副產(chǎn)品FeSO₄，濾液中加入水加熱過(guò)濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應(yīng)得到氯化鎂和鈦金屬，
（1）操作1為過(guò)濾，操作2的實(shí)驗(yàn)步驟為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，加入過(guò)量鐵屑后溶液中含有Fe²⁺離子，依據(jù)原子守恒可知產(chǎn)物為硫酸亞鐵，則過(guò)濾后可得FeSO₄•7H₂O（或FeSO₄），濾渣為過(guò)量的鐵屑和不溶物脈石；
（2）依據(jù)溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，平衡影響因素和平衡移動(dòng)原理分析判斷；
（3）根據(jù)金屬鋁的氧化物的性質(zhì)結(jié)合信息來(lái)回答，金屬鈉的活潑性強(qiáng)，可以用于金屬的冶煉；
（4）根據(jù)電解原理：陰極上是發(fā)生得電子的還原反應(yīng)；
（5）準(zhǔn)確滴加氯化鐵溶液可使用酸式滴定管；根據(jù)元素守恒計(jì)算待測(cè)鈦液中TiOSO₄的物質(zhì)的量．

解答 解：用濃硫酸處理鈦鐵礦，并向所得溶液中加入大量水稀釋后加入過(guò)量鐵粉還原鐵離子，過(guò)濾得到濾液通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾得到TiO²⁺濾液，和副產(chǎn)品FeSO₄，濾液中加入水加熱過(guò)濾得到H₂TiO₃，H₂TiO₃加熱灼燒得到TiO₂，加入氯氣、過(guò)量碳高溫加熱反應(yīng)生成TiCl₄和一氧化碳，四氯化鈦和金屬鎂高溫加熱反應(yīng)得到氯化鎂和鈦金屬．
（1）操作1為過(guò)濾用到的玻璃儀器除燒杯外還有漏斗、玻璃棒，操作2的實(shí)驗(yàn)步驟為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，加入過(guò)量鐵屑后溶液中含有Fe²⁺離子，則過(guò)濾后可得FeSO₄•7H₂O（或FeSO₄），副產(chǎn)品主要成分的化學(xué)式為FeSO₄，故答案為：漏斗、玻璃棒；蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；FeSO₄；
（2）加熱的目的是促進(jìn)TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，分離出固體加熱得到TiO₂；溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加熱升溫后，
平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃；
故答案為：溶液中存在平衡：TiO²⁺+2H₂O?H₂TiO₃+2H⁺，當(dāng)加熱升溫后，平衡正向移動(dòng)，生成H₂TiO₃；
（3）鈦的還原性介于鋁與鋅之間，氧化鋁是一層致密的氧化膜，估計(jì)鈦能耐腐蝕的原因鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密）；活潑金屬鈉可以將金屬鈦置換出來(lái)：TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl，Zn、和Fe都是不可以的，活潑性差，
故答案為：鈦表面形成一層致密的氧化膜（或鈦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密）；TiCl₄+4Na$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Ti+4NaCl；
（4）因TiO₂作陰極，得到電子，被還原，TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-，得到單質(zhì)Ti，
故答案為：TiO₂ +4e^-=Ti+2O^2-；
（5）準(zhǔn)確滴加氯化鐵溶液可使用滴定管，氯化鐵有較強(qiáng)的氧化性，應(yīng)用酸式滴定管；
設(shè)濾液Ti³⁺的物質(zhì)的量為x，
Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（無(wú)色）+Fe²⁺+2H⁺
1                    1
x    0.1000mol•L^-1×0.03L
解得x=0.1000mol•L^-1×0.03L=0.003mol
則待測(cè)鈦液中TiOSO₄的物質(zhì)的量=0.003mol×5=0.015mol
根據(jù)c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.015mol}{0.01L}$=1.50 mol•L^-1，
故答案為：酸式滴定管；1.50 mol•L^-1．

點(diǎn)評(píng) 本題以框圖推斷的形式結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)和元素化合物的相關(guān)知識(shí)考查學(xué)生的閱讀、分析、提取信息解決問(wèn)題的能力，主要是化學(xué)工藝流程，題目難度較大，做題時(shí)注意從物質(zhì)的性質(zhì)角度結(jié)合題中信息解答．