Question

20．金屬鈦被譽為“21世紀金屬”．工業(yè)上用鈦礦石（FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等雜質）制得海綿鈦的流程如下．

回答下列問題：
（1）要提高酸浸時鈦礦石的溶解速率，請?zhí)峁┛尚械拇胧┓鬯榈V石，加熱反應物，酸浸時主要反應的化學方程式為2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）副產(chǎn)品中含有雜質[Al₂（SO4）₃]．要將副產(chǎn)品進一步提純，請結合圖1的綠礬溶解度曲線完成提純過程：

將副產(chǎn)品溶于稀硫酸中，加入足量的鐵粉，充分攪拌后，用NaOH溶液調(diào)節(jié)反應液的pH約為5，過濾沉淀后得到FeSO₄溶液，加熱濃縮得到60℃飽和溶液，冷卻至室溫（或0℃）結晶，過濾，用冰水洗滌，低溫干燥，得到FeSO₄•7H₂0晶體．
（3）高溫時，由TiO₂轉化為TiC1₄的化學方程式為TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO．在一定條件下，將足量TiO₂（s）和固體炭放入密閉容器中，再通入C1₂進行反應至平衡，當改變外界條件時，TiC1₄（g）體積分數(shù)φ（TiCl₄）變化的趨勢如圖2所示，由圖判斷：①該反應的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②在750℃、100MPa和800℃、200MPa下C1₂的轉化率分別為α₁、α₂，則α_1＞α₂  （填“＞”“＜”或“=”）．
（4）常溫下，H₂TiO₃的沉淀溶解平衡為H₂TiO₃（s）?TiO²⁺（aq）+2OH^-（aq），其溶度積常數(shù)K_sp=1.0×10^-29mol³•L^-3．若在TiOSO₄溶液中加入NaOH溶液調(diào)pH使TiO²⁺完全沉淀（當離子濃度等于或小于10^-5mol•L^-1時可認為完全沉淀），則此時溶液的pH至少為2．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含少量FeO、A1₂O₃、SiO₂等雜質），鈦鐵礦和濃硫酸混合，鈦鐵礦和濃硫酸反應的產(chǎn)物之一是TiOSO₄，反應中無氣體生成，濃硫酸具有強氧化性，+2價Fe具有還原性，則+2價Fe被濃硫酸氧化生成Fe³⁺，然后向混合物中加入水、鐵屑，發(fā)生反應2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，沉降過濾，濾液中溶質為TiOSO₄和FeSO₄，將濾液冷卻結晶得到綠礬FeSO₄•7H₂O，TiOSO₄溶液加入水并加熱，TiO²⁺水解生成H₂TiO₃，然后過濾回收硫酸，同時得到H₂TiO₃，煅燒H₂TiO₃，H₂TiO₃分解生成TiO₂和水，TiO₂能和氯氣、C在高溫下發(fā)生氧化還原反應生成TiCl₄，則乙是TiO₂，在高溫條件下，用Mg和四氯化鈦發(fā)生置換反應生成Ti．
（1）提高浸出率可從濃度、溫度、接觸面積等影響化學反應速率的角度解答；FeTiO₃與酸反應生成FeSO₄、TiOSO₄、H₂O；
（2）FeSO₄溶液加熱蒸發(fā)濃縮，放在冰水中冷卻，冷卻結晶，之后過濾，洗滌，低溫烘干得到FeSO₄•7H₂0晶體；
（3）TiO₂可與焦炭、氯氣在高溫時反應，該反應中氧化劑為氯氣，還原劑為碳，產(chǎn)物為TiC1₄和CO，根據(jù)得失電子守恒書寫方程式；
①升高溫度，平衡向吸熱的方向移動，從圖示可知，溫度越高，TiC1₄（g）體積分數(shù)φ（TiCl₄）越低；
②正反應為放熱反應，溫度越高，轉化率越低，正反應為體積增大的反應，壓強越大，轉化率越低；
（4）應滿足c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，以此計算溶液的c（OH^-），可確定溶液的pH．

解答 解：（1）提高浸出率，可增大硫酸濃度、升高溫度、邊加硫酸邊攪攔、增加浸出時間、粉碎成細顆粒，增大接觸面積增大反應速率等，酸浸時反應物有硫酸、FeTiO₃，生成物有FeSO₄、TiOSO₄、H₂O，反應方程式為：2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，離子方程式為FeTiO₃+6H⁺=Fe²⁺+Ti⁴⁺+3H₂O，
故答案為：粉碎礦石，加熱反應物；2H₂SO₄+FeTiO₃=TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O；
（2）根據(jù)金屬離子沉淀的pH值，然后通過滴加NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至5.0把Al³⁺除去，過濾，即得到FeSO₄溶液，加熱濃縮得到60℃飽和溶液，然后放在冰水中冷卻至室溫，冷卻結晶，之后過濾，洗滌，低溫烘干，
故答案為：加熱濃縮得到60℃飽和溶液，冷卻至室溫（或0℃）結晶；
（3）TiO₂可與焦炭、氯氣在高溫時反應，該反應中氧化劑為氯氣，還原劑為碳，C化合價變化（0→+2），Cl化合價變化（0→-1），根據(jù)得失電子守恒，氧化劑氯氣，還原劑碳，它們的物質的量相等，則反應的方程式為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO，
故答案為：TiO₂+2Cl₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$TiCl₄+2CO；
①從圖示可知，溫度越高，TiC1₄（g）體積分數(shù)φ（TiCl₄）越低，說明正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
②從圖示可知，正反應為放熱反應，溫度越高，轉化率越低，800℃轉化率低，正反應為體積增大的反應，壓強越大，平衡向逆反應方向移動，轉化率越低，所以α₁＞α₂，
故答案為：＞；
（4）當離子濃度等于或小于10^-5mol•L^-1時可認為完全沉淀，c（TiO²⁺）×c²（OH^-）≥1.0×10^-29mol³•L^-3，c²（OH^-）≥$\frac{1.0×1{0}^{-29}}{1.0×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）≥1.0×10 ^-12mol/L，c（H⁺）≥1.0×10 ^-2mol/L，PH=2，
故答案為：2．

點評 本題借助制得海綿鈦的流程，考查了方程式書寫、化學平衡的影響因素、難溶電解質的溶解平衡計算等知識，為高頻考點和高考常見題型，充分考查了學生的綜合能力，本題難度中等．