Question

6．由鈦鐵礦（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）制備TiCl₄、綠礬等產品的一種綜合工藝流程圖如下：

【提示】TiO²⁺的水解平衡TiO²⁺+（n+1）H₂O?TiO₂．n H₂O+2H⁺回答下列問題：
（1）硫酸與二氧化鈦反應的離子方程式是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
寫出④中TiO₂和焦炭、氯氣反應生成液態(tài)TiCl₄ 和CO氣體的熱化學方程式：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1．
（3）往①中加入鐵屑至浸出液顯紫色，此時溶液仍呈強酸性．該過程中有如下反應發(fā)生．
A：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺
B：2TiO²⁺（無色）+Fe+4H⁺=2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O
C：Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（無色）+Fe²⁺+2H⁺
I．結合信息判斷Fe³⁺、TiO²⁺、H⁺氧化性強弱：Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺
II．加入鐵屑的作用是將Fe³⁺還原為Fe²⁺，生成Ti³⁺保護Fe²⁺不被氧化．
（4）往②中不斷通入高溫水蒸氣，維持溶液沸騰一段時間，析出水合二氧化鈦沉淀．請用化學平衡理論分析通入高溫水蒸氣的作用：水解是吸熱反應，通入高溫水蒸氣能降低H⁺濃度，提高溶液溫度，促進平衡向水解方向移動，從而析出TiO₂•H₂O．
（5）依據(jù)綠色化學理念，該工藝流程中存在的不足之處是產生了廢氣、廢液、廢渣等（只要求寫出一項）．
（6）綠礬（摩爾質量為278g/mol）可用于生產紅色顏料（Fe₂O₃），556akg綠礬，理論上可生產紅色顏料1000amol．

Answer 1

分析 以鈦鐵礦（主要成分是TiO₂、少量FeO和Fe₂O₃）為主要原料冶煉金屬鈦，鈦鐵礦石加入硫酸，鈦鐵礦與硫酸發(fā)生反應的化學方程式為：FeTiO₃+2H₂SO₄═TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O，所得濾液中含有TiO²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等離子，加入水溶解后加入鐵防止亞鐵離子被氧化，沉降分離得到溶液①，冷卻結晶得到硫酸亞鐵晶體，過濾得到溶液②為TiOSO₄，加熱過濾得到濾液為硫酸，沉淀為鈦酸煅燒得到二氧化鈦，加入氯氣和焦炭高溫反應，由二氧化鈦制取四氯化鈦．
（1）TiO₂與酸反應生成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根據(jù)蓋斯定律計算分析得到；
（3）Ⅰ．在氧化還原反應中，氧化劑的氧化性強于氧化產物的氧化性；
Ⅱ．往①中加入鐵屑至浸出液顯紫色，說明浸出液中含有Ti³⁺，由方程式可知，F(xiàn)e³⁺氧化為Ti³⁺；
（4）影響鈦鹽水解的因素有濃度、溫度等，由TiOSO₄水解呈酸性，知沸水、高溫水蒸氣、維持溶液沸騰等均為升溫，沸水、高溫水蒸氣即加水且降低H⁺濃度，故高溫水蒸氣使水解平衡移動的作用是：加水、加熱、降低H⁺濃度均可促進鈦鹽水解；
（5）綠色化學應零污染、零排放，原子利用率100%．結合工藝流程三廢回答；
（6）利用Fe元素守恒列關系式：2FeSO₄•7H₂O～Fe₂O₃解答．

解答 解：（1）由題給反應流程可知TiO₂與酸反應生成TiO²⁺，則反應的離子方程式為TiO₂+2H⁺=TiO²⁺+H₂O，
故答案為：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
依據(jù)蓋斯定律①+②得到：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1；
故答案為：TiO₂（s）+2C（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（l）+2CO（g）△H=-81kJ•mol^-1；
（3）Ⅰ．在反應Ti³⁺（紫色）+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺（無色）+Fe²⁺+2H⁺中，氧化劑是Fe³⁺，氧化產物是TiO²⁺，所以氧化性Fe³⁺＞TiO²⁺；在反應2TiO²⁺（無色）+Fe+4H⁺=2Ti³⁺（紫色）+Fe²⁺+2H₂O中，氧化劑是TiO²⁺，氧化產物是Fe²⁺，所以氧化性TiO²⁺＞Fe²⁺；在該反應中TiO²⁺、H⁺同為反應物，氧化劑是TiO²⁺，所以氧化性，TiO²⁺＞H⁺；
所以Fe³⁺＞TiO²⁺＞H⁺，
故答案為：Fe³⁺；TiO²⁺；H⁺；
Ⅱ．由反應方程式可知，加入鐵屑作還原劑，將Fe³⁺還原為Fe²⁺，且反應生成Ti³⁺保護Fe²⁺不被氧化． 
故答案為：將Fe³⁺還原為Fe²⁺，生成Ti³⁺保護Fe²⁺不被氧化；
（4）影響鈦鹽水解的因素有濃度、溫度等，由TiOSO₄水解呈酸性，知沸水、高溫水蒸氣、維持溶液沸騰等均為升溫，沸水、高溫水蒸氣即加水且降低H⁺濃度，故高溫水蒸氣使水解平衡移動的作用是：加水、加熱、降低H⁺濃度均可促進鈦鹽水解，所以通入高溫水蒸氣的作用為：水解是吸熱反應，通入高溫水蒸氣能降低H⁺濃度，提高溶液溫度，促進平衡向水解方向移動，從而析出TiO₂•H₂O，
故答案為：水解是吸熱反應，通入高溫水蒸氣能降低H⁺濃度，提高溶液溫度，促進平衡向水解方向移動，從而析出TiO₂•H₂O；
（5）由工藝流程可知，生成中產生廢氣，廢液，廢渣等，不符合綠色化學理念，
故答案為：產生了廢氣，廢液，廢渣等；
（6）根據(jù)鐵守恒2FeSO₄•7H₂O～Fe₂O₃，556akg綠礬理論上可生產Fe₂O₃，的物質的量為$\frac{556a×1{0}^{3}g}{278g/mol}$×$\frac{1}{2}$=1000amol，
故答案為：1000a．

點評 本題考查以鈦鐵礦為主要原料冶煉金屬鈦工藝流程，為高考常見題型，側重于學生的分析能力、實驗能力的考查，注意分析流程各反應物的轉化是解答的關鍵，題目難度中等．