Question

6．由钛铁矿（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）制备TiCl₄、绿矾等产品的一种综合工艺流程图如下：

【提示】TiO²⁺的水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂．n H₂O+2H⁺回答下列问题：
（1）硫酸与二氧化钛反应的离子方程式是TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O．
（2）已知：TiO₂（s）+2Cl₂（g）=TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+140kJ•mol^-1
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ•mol^-1
写出④中TiO₂和焦炭、氯气反应生成液态TiCl₄ 和CO气体的热化学方程式：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1．
（3）往①中加入铁屑至浸出液显紫色，此时溶液仍呈强酸性．该过程中有如下反应发生．
A：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺
B：2TiO²⁺（无色）+Fe+4H⁺=2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O
C：Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（无色）+Fe²⁺+2H⁺
I．结合信息判断Fe³⁺、TiO²⁺、H⁺氧化性强弱：Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺
II．加入铁屑的作用是将Fe³⁺还原为Fe²⁺，生成Ti³⁺保护Fe²⁺不被氧化．
（4）往②中不断通入高温水蒸气，维持溶液沸腾一段时间，析出水合二氧化钛沉淀．请用化学平衡理论分析通入高温水蒸气的作用：水解是吸热反应，通入高温水蒸气能降低H⁺浓度，提高溶液温度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•H₂O．
（5）依据绿色化学理念，该工艺流程中存在的不足之处是产生了废气、废液、废渣等（只要求写出一项）．
（6）绿矾（摩尔质量为278g/mol）可用于生产红色颜料（Fe₂O₃），556akg绿矾，理论上可生产红色颜料1000amol．

Answer 1

分析 以钛铁矿（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）为主要原料冶炼金属钛，钛铁矿石加入硫酸，钛铁矿与硫酸发生反应的化学方程式为：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，所得滤液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子，加入水溶解后加入铁防止亚铁离子被氧化，沉降分离得到溶液①，冷却结晶得到硫酸亚铁晶体，过滤得到溶液②为TiOSO₄，加热过滤得到滤液为硫酸，沉淀为钛酸煅烧得到二氧化钛，加入氯气和焦炭高温反应，由二氧化钛制取四氯化钛．
（1）TiO₂与酸反应生成TiO²⁺和水；
（2）已知TiO₂（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+140kJ•mol^-1 2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ•mol^-1根据盖斯定律计算分析得到；
（3）Ⅰ．在氧化还原反应中，氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性；
Ⅱ．往①中加入铁屑至浸出液显紫色，说明浸出液中含有Ti³⁺，由方程式可知，Fe³⁺氧化为Ti³⁺；
（4）影响钛盐水解的因素有浓度、温度等，由TiOSO₄水解呈酸性，知沸水、高温水蒸气、维持溶液沸腾等均为升温，沸水、高温水蒸气即加水且降低H⁺浓度，故高温水蒸气使水解平衡移动的作用是：加水、加热、降低H⁺浓度均可促进钛盐水解；
（5）绿色化学应零污染、零排放，原子利用率100%．结合工艺流程三废回答；
（6）利用Fe元素守恒列关系式：2FeSO₄•7H₂O～Fe₂O₃解答．

解答 解：（1）由题给反应流程可知TiO₂与酸反应生成TiO²⁺，则反应的离子方程式为TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，
故答案为：TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O；
（2）①TiO₂ （s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+O₂（g）△H=+140kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-221kJ•mol^-1
依据盖斯定律①+②得到：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1；
故答案为：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1；
（3）Ⅰ．在反应Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（无色）+Fe²⁺+2H⁺中，氧化剂是Fe³⁺，氧化产物是TiO²⁺，所以氧化性Fe³⁺＞TiO²⁺；在反应2TiO²⁺（无色）+Fe+4H⁺=2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O中，氧化剂是TiO²⁺，氧化产物是Fe²⁺，所以氧化性TiO²⁺＞Fe²⁺；在该反应中TiO²⁺、H⁺同为反应物，氧化剂是TiO²⁺，所以氧化性，TiO²⁺＞H⁺；
所以Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺，
故答案为：Fe³⁺；TiO²⁺；H⁺；
Ⅱ．由反应方程式可知，加入铁屑作还原剂，将Fe³⁺还原为Fe²⁺，且反应生成Ti³⁺保护Fe²⁺不被氧化． 
故答案为：将Fe³⁺还原为Fe²⁺，生成Ti³⁺保护Fe²⁺不被氧化；
（4）影响钛盐水解的因素有浓度、温度等，由TiOSO₄水解呈酸性，知沸水、高温水蒸气、维持溶液沸腾等均为升温，沸水、高温水蒸气即加水且降低H⁺浓度，故高温水蒸气使水解平衡移动的作用是：加水、加热、降低H⁺浓度均可促进钛盐水解，所以通入高温水蒸气的作用为：水解是吸热反应，通入高温水蒸气能降低H⁺浓度，提高溶液温度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•H₂O，
故答案为：水解是吸热反应，通入高温水蒸气能降低H⁺浓度，提高溶液温度，促进平衡向水解方向移动，从而析出TiO₂•H₂O；
（5）由工艺流程可知，生成中产生废气，废液，废渣等，不符合绿色化学理念，
故答案为：产生了废气，废液，废渣等；
（6）根据铁守恒2FeSO₄•7H₂O～Fe₂O₃，556akg绿矾理论上可生产Fe₂O₃，的物质的量为$\frac{556a×1{0}^{3}g}{278g/mol}$×$\frac{1}{2}$=1000amol，
故答案为：1000a．

点评 本题考查以钛铁矿为主要原料冶炼金属钛工艺流程，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力、实验能力的考查，注意分析流程各反应物的转化是解答的关键，题目难度中等．