Question

工业、上常用钛铁矿[主要成分为FeTiO₃(钛酸亚铁，不溶于水)、Fe₂O₃及少量SiO₂杂质]作原料，制取二氧化钛及铁红，其生产流程如图：

已知：TiO²⁺易水解，只能存在于强酸性溶液中。

回答下列问题：

（1）钛铁矿用硫酸溶解时，过滤所得滤渣的成分是__(填化学式)。

（2）从溶液B中得到FeSO₄·7H₂O晶体的操作是__、过滤、洗涤、干燥。

（3）溶液C中加入NH₄HCO₃，发生反应的离子方程式是__。

（4）煅烧FeCO₃，发生反应的化学方程式是__。

（5）流程中加入Na₂CO₃粉末得到固体TiO₂·nH₂O。请结合TiO²⁺的水解平衡原理解释其原因：__。

（6）用如图所示装置(熔融CaF₂-CaO作电解质)获得金属钙，并用钙还原TiO₂制取金属钛。阳极反应式是__，反应过程中CaO的物质的量__(填“减小”“不变”或“增大”)。

Answer

SiO2 蒸发浓缩、冷却结晶 Fe2++2HCO3⁻ =FeCO3↓+CO2↑+H2O 4FeCO3+O22Fe2O3+4CO2 TiO2++(n+1)H2O⇋TiO2·nH2O+2H+，加入Na2CO3粉末消耗H+，平衡正向移动，生成TiO2·nH2O C+2O2⁻-4e⁻===CO2↑ 不变

【解析】

钛铁矿[主要成分为FeTiO3(钛酸亚铁，不溶于水)、Fe2O3及少量SiO2杂质]加过量硫酸，FeTiO3溶于过量硫酸，生成Fe2+、TiO2+、H2O，Fe2O3溶于过量硫酸，生成Fe3+离子，SiO2杂质不溶于酸，滤液A主要阳离子为Fe2+、TiO2+、Fe3+；加入铁粉，发生了反应：2Fe3++Fe═3Fe2+，溶液B主要阳离子为Fe2+ 、TiO2+，蒸发浓缩冷却结晶得绿矾和TiO2+、SO42-，加入碳酸钠粉末生成TiO2•nH2O，一定条件下得到TiO2；绿矾加水溶解，调节pH至5~8.5防止水解，溶液C溶质主要为FeSO4，加入足量的NH4 HCO3，生成FeCO3，经过煅烧后得到Fe2O3 。

(1)根据分析可知滤渣主要为不溶于酸的SiO2；

(2)从溶液中得到晶体的一般操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；

(3)加入碳酸氢铵后，Fe2+与碳酸氢根电离出的碳酸根结合生成碳酸亚铁沉淀，促进碳酸氢根的电离，氢离子浓度增大，氢离子浓度增大后又促进碳酸氢根的水解，生成二氧化碳，所以离子方程式为：Fe2++2HCO3⁻ =FeCO3↓+CO2↑+H2O；

(4)煅烧FeCO3生成三氧化二铁和二氧化碳，Fe2+别氧化，结合元素守恒可知氧化剂为O2，根据电子守恒可得方程式为：4FeCO3+O22Fe2O3+4CO2；

(5)溶液中存在平衡TiO2++(n+1)H2O⇋TiO2·nH2O+2H+，加入Na2CO3粉末消耗H+，平衡正向移动，生成TiO2·nH2O；

(6)与正极相连的是阳极，据图可知石墨电极为阳极，反应过程中C被氧化生成CO2，所以电极方程式为：C+2O2⁻-4e⁻===CO2↑；阴极上电极反应式为：2Ca2++4e-═2Ca，钙还原二氧化钛反应方程式为：2Ca+TiO2=Ti+2CaO，在制备金属钛前后，整套装置中CaO的总量不变。