Question

纳米TiO₂是一种重要的光催化剂。以钛酸酯Ti(OR)₄为原料制备纳米TiO₂的步骤如下：

①组装装置如下图所示，保持温度约为65℃，先将30mL钛酸四丁酯[Ti(OC₄H₉)₄]加入盛有无水乙醇的三颈烧瓶，再加入3mL乙酰丙酮，充分搅拌；

②将含水20％的乙醇溶液缓慢滴入三颈烧瓶中，得到二氧化钛溶胶；

③将二氧化钛溶胶干燥得到二氧化钛凝胶，灼烧凝胶得到纳米TiO₂。

已知，钛酸四丁酯能溶于除酮类物质以外的大部分有机溶剂，遇水剧烈水解；Ti(OH)₄不稳定，易脱水生成TiO₂，回答下列问题：

(1)仪器a的名称是_______，冷凝管的作用是________。

(2)加入的乙酰丙酮可以减慢水解反应的速率，其原理可能是________(填标号)。

a.增加反应的焓变    b.增大反应的活化能

c.减小反应的焓变    d.降低反应的活化能

制备过程中，减慢水解反应速率的措施还有________。

(3)步骤②中制备二氧化钛溶胶的化学方程式为________。下图所示实验装置中，可用于灼烧二氧化钛凝胶的是________(填标号)。

(4)测定样品中TiO₂纯度的方法是：精确称取0.2000 g样品放入锥形瓶中，加入硫酸和硫酸铵的混合溶液，加强热使其溶解。冷却后，加入一定量稀盐酸得到含TiO²⁺的溶液。加入金属铝，将TiO²⁺全部转化为Ti³⁺。待过量的金属铝完全溶解并冷却后，加入指示剂，用0.1000 mol·L^-lNH₄Fe(SO₄)₂溶液滴定至终点。重复操作2次，消耗0.1000 mol·L^-1 NH₄Fe(SO₄)₂溶液的平均值为20.00 mL(已知：Ti³⁺ ＋Fe³⁺＋H₂O=TiO²⁺ ＋Fe²⁺ ＋2H^＋)。

①加入金属铝的作用除了还原TiO^2＋外，另一个作用是________________。

②滴定时所用的指示剂为____________(填标号)

a.酚酞溶液        b. KSCN溶液        c. KMnO₄溶液        d.淀粉溶液

③样品中TiO₂的质量分数为________%。

Answer

温度计 冷凝回流 b 用含水20%的乙醇溶液代替水、缓慢滴液 Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH a 与酸反应生成氢气，形成氢气氛围，防止Ti3+在空气中被氧化 b 80

【解析】

(1)根据水、无水乙醇和乙酰丙酮容易挥发分析解答；

(2)反应的焓变只与初始状态和终了状态有关；增大反应的活化能，反应速率减慢；降低反应的活化能，反应速率加快，据此分析判断；根据实验步骤②的提示分析判断；

(3) Ti(OH)4不稳定，易脱水生成TiO2，钛酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解生成二氧化钛溶胶，据此书写反应的化学方程式；灼烧固体需要在坩埚中进行；

(4)根据Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋，说明Ti3+容易被氧化；并据此分析判断可以选用的指示剂，结合消耗的NH4Fe(SO4)2的物质的量计算样品中TiO2的质量分数。

(1)根据装置图，仪器a为温度计，实验过程中为了防止水、无水乙醇和乙酰丙酮挥发，可以使用冷凝管冷凝回流，提高原料的利用率，故答案为温度计；冷凝回流；

(2) a.反应的焓变只与初始状态和终了状态有关，加入的乙酰丙酮，改变是反应的条件，不能改变反应的焓变，故a错误；b. 增大反应的活化能，活化分子数减少，反应速率减慢，故b正确；c. 反应的焓变只与初始状态和终了状态有关，加入的乙酰丙酮，改变是反应的条件，不能改变反应的焓变，故c错误；d.降低反应的活化能，活化分子数增多，反应速率加快，故d错误；故选b；根据实验步骤②的提示，制备过程中，用含水20%的乙醇溶液代替水、缓慢滴液，减慢钛酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解的反应速率，故答案为b；用含水20%的乙醇溶液代替水、缓慢滴液；

(3) Ti(OH)4不稳定，易脱水生成TiO2，步骤②中钛酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解生成二氧化钛溶胶，反应的化学方程式为Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH；灼烧二氧化钛凝胶需要在坩埚中进行，故选择的装置为a，故答案为Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH；a；

(4)①根据Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋，说明Ti3+容易被氧化，铝与酸反应生成氢气，在液面上方形成氢气氛围，防止Ti3+在空气中被氧化，故答案为与酸反应生成氢气，形成氢气氛围，防止Ti3+在空气中被氧化；

②酚酞溶液、淀粉溶液与NH4Fe(SO4)2溶液，现象不明显；KMnO4溶液也能氧化Ti3+，影响滴定结果，KMnO4不与Fe3+反应；根据滴定反应Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋可知，可以选用KSCN溶液作指示剂，当滴入最后一滴NH4Fe(SO4)2溶液，容易变成血红色，且半分钟不褪色，说明到达了滴定终点，故答案为b；

③消耗的NH4Fe(SO4)2的物质的量=0.02L×0.1000 mol·L-1=0.002mol，则根据钛原子守恒，n(TiO2)=n(Ti3+)=n（Fe3+）=0.002mol，样品中TiO2的质量分数=×100%=80%，故答案为80。