Question

6．二氧化鈦廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)表面涂料、紙張涂層等，二氧化鈦還可作為制備鈦單質(zhì)的原料．現(xiàn)在工業(yè)由以下兩種方法制備二氧化鈦：
方法1：可用含有Fe₂O₃、SiO₂的鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，其中Ti元素化合價(jià)為+4價(jià)）制取，其主要工藝流程如下：

已知有關(guān)反應(yīng)包括：酸溶FeTiO₃（s）+2H₂SO₄（aq）→FeSO₄（aq）+TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）水解TiOSO₄（aq）+2H₂O（l）→H₂TiO₃（s）+H₂SO₄（aq）
（1）試劑A為鐵粉，鈦液Ⅰ需冷卻至70℃左右，若溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品收率降低，原因是由于TiOSO₄容易水解，若溫度過(guò)高，則會(huì)有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃而經(jīng)過(guò)濾進(jìn)入FeSO₄•7H₂O中導(dǎo)致TiO₂產(chǎn)率降低；
（2）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無(wú)明顯現(xiàn)象，再加H₂O₂后出現(xiàn)紅色，說(shuō)明H₂TiO₃中存在的雜質(zhì)離子是Fe²⁺．這種H₂TiO₃即使用水充分洗滌，煅燒后獲得的TiO₂會(huì)略發(fā)黃，發(fā)黃的雜質(zhì)是Fe₂O₃（填化學(xué)式）．
方法2：
Ⅰ．將干燥后的金紅石（主要成分TiO₂，主要雜質(zhì)SiO₂）與碳粉混合裝入氯化爐中，在高溫下通入Cl₂反應(yīng)制得混有SiCl₄雜質(zhì)的TiCl₄；
Ⅱ．將SiCl₄分離，得到純凈的TiCl₄；
Ⅲ．在TiCl₄中加水、加熱，水解得到沉淀TiO₂•xH₂O，洗滌和干燥；
IV．TiO₂•xH₂O高溫分解得到TiO₂．
（3）TiCl₄水解生成TiO₂•x H₂O的化學(xué)方程式為TiCl₄+（x+2）H₂O（過(guò)量）=TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
（4）檢驗(yàn)TiO₂•x H₂O中Cl^-是否被除凈的方法是取少量水洗液，滴加硝酸酸化AgNO₃溶液，若不產(chǎn)生白色沉淀，說(shuō)明Cl^-已除凈；
金屬鈦被稱為“21世紀(jì)金屬”，工業(yè)制備金屬鈦是在800～900℃及惰性氣體的保護(hù)下，在密閉反應(yīng)器中，將TiCl₄以一定的流速通入通電熔化的鎂即可．主要涉及以下反應(yīng)：
①TiO₂+2Cl₂+C$\stackrel{高溫}{→}$TiCl₄+CO₂
②TiCl₄+2Mg→2MgCl₂+Ti
（5）下列推斷不合理的是BC
A．鈦在高溫下可能易與氧氣反應(yīng)
B．鎂的熔點(diǎn)比鈦的熔點(diǎn)高
C．鈦的金屬活動(dòng)性比鎂的金屬活動(dòng)性強(qiáng)
D．反應(yīng)②產(chǎn)生的MgCl₂可作為電解法制取鎂的原料
（6）請(qǐng)完成以TiO₂、Cl₂和焦炭為原料制取金屬Ti和Mg的流程圖，并用箭頭標(biāo)明物料循環(huán)．

Answer 1

分析 含有Fe₂O₃、SiO₂的鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，其中Ti元素化合價(jià)為+4價(jià)）加硫酸，在90℃溫度下，溶解，過(guò)濾，濾液中含有FeSO₄（aq）、TiOSO₄（aq）和Fe₂（SO₄）₃（aq），加鐵粉（試劑A），把三價(jià)鐵離子還原為亞鐵離子，降溫到70℃，結(jié)晶過(guò)濾，得到硫酸亞鐵晶體，濾液為TiOSO₄（aq），濾液溫度升高到90℃，使TiOSO₄水解生成H₂TiO₃固體，洗滌、干燥、煅燒得到TiO₂；
（1）由流程可知，溫度高會(huì)促進(jìn)TiOSO₄水解，若溫度過(guò)高，則會(huì)有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃而進(jìn)入綠礬晶體，損失鈦元素；
（2）根據(jù)亞鐵離子的檢驗(yàn)操作和現(xiàn)象分析，亞鐵離子遇到KSCN溶液不變紅色，遇到氧化劑會(huì)出現(xiàn)紅色證明亞鐵離子的存在；根據(jù)Fe₂O₃的顏色分析，H₂TiO₃中的二價(jià)鐵易被氧化為三價(jià)鐵，煅燒時(shí)會(huì)生成Fe₂O₃；
（3）根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)和質(zhì)量守恒定律書寫化學(xué)方程式，設(shè)TiCl₄的系數(shù)為1，根據(jù)元素守恒，TiO₂•xH₂O的系數(shù)為1，HCl的系數(shù)為4；再根據(jù)O元素守恒，可知H₂O的系數(shù)為（2+x），配平得到化學(xué)方程式；
（4）檢驗(yàn)沉淀是否洗凈的方法是，取少量洗滌液，檢驗(yàn)溶液中溶解的離子是否還存在氯離子；
（5）A．鈦在高溫下可能易與氧氣反應(yīng)生成二氧化鈦；
B．鎂易熔化熔點(diǎn)較低；
C．活潑性強(qiáng)的金屬能置換活潑性弱的金屬；
D．電解熔融的MgCl₂能制取鎂；
（6）TiO₂、Cl₂和焦炭在高溫條件下生成TiCl₄和CO₂，再用Mg單質(zhì)置換TiCl₄得到Ti和MgCl₂，電解熔融的氯化鎂又能得到Mg和氯氣．

解答 解：含有Fe₂O₃、SiO₂的鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，其中Ti元素化合價(jià)為+4價(jià)）加硫酸，在90℃溫度下，溶解，過(guò)濾，濾液中含有FeSO₄（aq）、TiOSO₄（aq）和Fe₂（SO₄）₃（aq），加鐵粉（試劑A），把三價(jià)鐵離子還原為亞鐵離子，降溫到70℃，結(jié)晶過(guò)濾，得到硫酸亞鐵晶體，濾液為TiOSO₄（aq），濾液溫度升高到90℃，使TiOSO₄水解生成H₂TiO₃固體，洗滌、干燥、煅燒得到TiO₂；
（1）由流程可知，試劑A為鐵粉；由題中信息可知，TiOSO₄容易水解，升高溫度促進(jìn)水解，若溫度過(guò)高，則會(huì)有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃而經(jīng)過(guò)濾進(jìn)入FeSO₄•7H₂O中導(dǎo)致TiO₂產(chǎn)率降低；
故答案為：鐵粉；由于TiOSO₄容易水解，若溫度過(guò)高，則會(huì)有較多TiOSO₄水解為固體H₂TiO₃而經(jīng)過(guò)濾進(jìn)入FeSO₄•7H₂O中導(dǎo)致TiO₂產(chǎn)率降低；
（2）取少量酸洗后的H₂TiO₃，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無(wú)明顯現(xiàn)象，說(shuō)明沒有Fe³⁺，再加H₂O₂后出現(xiàn)紅色，說(shuō)明有Fe³⁺，則原來(lái)含有Fe²⁺，加H₂O₂后Fe²⁺被氧化為Fe³⁺；H₂TiO₃中的二價(jià)鐵易被氧化為三價(jià)鐵，煅燒時(shí)會(huì)生成Fe₂O₃，TiO₂含有少量的Fe₂O₃會(huì)呈現(xiàn)黃色；
故答案為：Fe²⁺；Fe₂O₃；
（3）設(shè)TiCl₄的系數(shù)為1，根據(jù)元素守恒，TiO₂•xH₂O的系數(shù)為1，HCl的系數(shù)為4；再根據(jù)O元素守恒，可知H₂O的系數(shù)為（2+x），方程式為TiCl₄+（x+2）H₂O?TiO₂•xH₂O↓+4HCl，
故答案為：TiCl₄+（x+2）H₂O?TiO₂•xH₂O↓+4HCl；
（4）沉淀吸附溶液中的Cl^-，根據(jù)發(fā)生反應(yīng)：Cl^-+Ag⁺═AgCl↓，取最后一次的少量洗滌液，檢驗(yàn)溶液中溶解的離子是否還存在，
故答案為：取最后一次的少量水洗液，滴加硝酸酸化的AgNO₃溶液，不產(chǎn)生白色沉淀，說(shuō)明Cl^-已除凈；
（5）A．工業(yè)制備金屬鈦是在800～900℃及惰性氣體的保護(hù)下，說(shuō)明鈦在高溫下可能易與氧氣反應(yīng)生成二氧化鈦，故A正確；
B．鎂易熔化熔點(diǎn)較低，鎂的熔點(diǎn)比鈦的熔點(diǎn)低，故B錯(cuò)誤；
C．活潑性強(qiáng)的金屬能置換活潑性弱的金屬，Mg能置換Ti，說(shuō)明Mg比Ti活潑，故C錯(cuò)誤；
D．電解熔融的MgCl₂能制取鎂，所以反應(yīng)②產(chǎn)生的MgCl₂可作為電解法制取鎂的原料，故D正確；
故答案為：BC；
（6）TiO₂、Cl₂和焦炭在高溫條件下生成TiCl₄和CO₂，再用Mg單質(zhì)置換TiCl₄得到Ti和MgCl₂，電解熔融的氯化鎂又能得到Mg和氯氣，則以TiO₂、Cl₂和焦炭為原料制取金屬Ti和Mg的流程圖為：，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生對(duì)工藝流程理解、閱讀題目獲取信息能力、離子檢驗(yàn)、水解原理的應(yīng)用及方程式的書寫等，難度中等，理解工藝流程是關(guān)鍵，需要學(xué)生具有閱讀題目獲取信息能力和靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力．