Question

4．二氧化鈦（TiO₂）又稱鈦白，工業(yè)上利用鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，其中鐵為正二價）為原料，采用硫酸法制得，其工藝流程如圖所示：

請回答：
（1）鈦鐵礦加入硫酸反應(yīng)可制得硫酸氧鈦，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O．
（2）為了提高二氧化鈦的純度，需要除去浸出液中的Fe³⁺，則加入的試劑A為鐵屑，需過量的原因是防止已還原的F_e²⁺重新被空氣氧化．
（3）操作1是蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾．
（4）進(jìn)行操作1時需將濾液1在70～75℃，8 000Pa條件下的真空蒸發(fā)器中進(jìn)行，其原因是蒸發(fā)濃縮過程溫度升高，會促使硫酸氧鈦（TiOSO₄）過早水解，濾液2加水稀釋使硫酸氧鈦（TiOSO₄）水解生成偏鈦酸（TiO₂•nH₂O），請寫出該水解反應(yīng)的化學(xué)方程式TiOSO₄+（n+1）H₂O═TiO₂•nH₂O+H₂SO₄ ．
（5）研究發(fā)現(xiàn)，可以用石墨作陽極、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．
①寫出陽極所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑．
②在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，其原因是（請結(jié)合化學(xué)用語解釋）制備TiO₂時，發(fā)生反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，消耗氧化鈣，在制鈦時發(fā)生反應(yīng)2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，又有氧化鈣生成，所以CaO的量不變．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分FeTiO₃，其中鐵為正二價）為原料，加入稀硫酸溶解加入水中浸取，浸取液含有Fe²⁺、Fe³⁺，加入過量鐵粉還原鐵離子為亞鐵離子，過濾得到濾液Ⅰ含有TiOSO₄ 和FeSO₄，通過操作Ⅰ蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到FeSO₄•7H₂O，和濾液2主要TiOSO₄，加入水水解過濾生成偏鈦酸（TiO₂•nH₂O），煅燒得到TiO₂，
（1）鐵礦加入硫酸反應(yīng)可制得硫酸氧鈦，硫酸亞鐵和水，結(jié)合原則守恒配平書寫得到化學(xué)方程式；
（2）除去浸出液中的Fe³⁺，則加入的試劑A為過量的鐵粉，還原鐵離子為亞鐵離子；
（3）操作Ⅰ是溶液中得到硫酸亞鐵晶體的實驗方法分析；
（4）溫度升高，會促使硫酸氧鈦（TiOSO₄）過早水解，濾液2加水稀釋使硫酸氧鈦（TiOSO₄）水解生成偏鈦酸（TiO₂•nH₂O）和硫酸；
（5）①依據(jù)裝置圖分析判斷，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳；
②制備TiO₂時，依據(jù)電解槽中陰極生成鈣，陽極生成氧氣，消耗氧化鈣，而制鈦時又有氧化鈣生成，據(jù)此答題；

解答 解：（1）鐵礦加入硫酸反應(yīng)可制得硫酸氧鈦，硫酸亞鐵和水，結(jié)合原則守恒配平書寫得到化學(xué)方程式：FeTiO₃+2 H₂SO₄=TiOSO₄+FeSO₄+2 H₂O，
故答案為：FeSO₄；2 H₂O；
（2）除去浸出液中的Fe³⁺，則加入的試劑A為過量的鐵粉，還原鐵離子為亞鐵離子，防止已還原的F_e²⁺重新被空氣氧化，保證Fe³⁺全部轉(zhuǎn)化為Fe²⁺；
故答案為：鐵屑；防止已還原的F_e²⁺重新被空氣氧化；
（3）操作Ⅰ是溶液中得到硫酸亞鐵晶體的實驗方法，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到FeSO₄•7H₂O，；
故答案為：蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾；
（4）溫度升高，會促使硫酸氧鈦（TiOSO₄）過早水解，濾液2加水稀釋使硫酸氧鈦（TiOSO₄）水解生成偏鈦酸（TiO₂•nH₂O）和硫酸，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：TiOSO₄+（n+1）H₂O═TiO₂•nH₂O+H₂SO₄；
故答案為：蒸發(fā)濃縮過程溫度升高，會促使硫酸氧鈦（TiOSO₄）過早水解；TiOSO₄+（n+1）H₂O═TiO₂•nH₂O+H₂SO₄ ；
（5）①用石墨作陽極、鈦網(wǎng)作陰極、熔融CaF₂-CaO作電解質(zhì)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極析出鈣金屬發(fā)生還原反應(yīng)，陽極圖示產(chǎn)物可可知，陽極生成二氧化碳?xì)怏w，是電解質(zhì)中的氧離子失電子生成氧氣，氧氣和陽極石墨反應(yīng)生成的二氧化碳，所以電極反應(yīng)為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑，
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑，或C+2O^2--4e^-=CO₂↑；
②制備TiO₂時，在電解槽發(fā)生如下反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，在制鈦時有反應(yīng)：2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，所以在制備金屬鈦前后，CaO的總量不變，
故答案為：制備TiO₂時，發(fā)生反應(yīng)：2CaO═2Ca+O₂↑，消耗氧化鈣，在制鈦時發(fā)生反應(yīng)2Ca+TiO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$Ti+2CaO，又有氧化鈣生成，所以CaO的量不變．

點評 本題考查了物質(zhì)分離的流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，離子性質(zhì)的應(yīng)用，分離操作的方法，氧化還原反應(yīng)的離子方程式的書寫方法，電解池原理的應(yīng)用，電極反應(yīng)的書寫原則．