Question

钛合金在国防、医用器材领域有重要应用，某研究小组利用钛铁矿[主要成分偏钛酸亚铁(FeTiO₃)，含SiO₂、FeO 杂质]制取TiCl₄，然后进一步制备金属钛，流程如下∶

已知∶

a.发生的主要反应方程式如下∶

FeTiO₃+2H₂SO₄TiOSO₄+FeSO₄+2H₂O            TiOSO₄+2H₂OH₂TiO₃↓+H₂SO₄

H₂TiO₃TiO₂+H₂O

b.部分物质的性质∶

	TiCl4	SiCl4	FeCl3	TiO2
沸点/°C	136.4	57.6	315	/
其它性质	极易水解	/	/	不溶于水

请回答∶

(1)步骤II抽滤时选用了玻璃砂漏斗，请说明选择的理由______。

(2)步骤III为了除去浸取液中的铁元素杂质并回收FeSO₄∙7H₂O。往浸取液中加入铁粉至溶液中的Fe³⁺完全转化，然后抽滤，滤液用冰盐水快速冷却至FeSO₄∙7H₂O结晶析出，再次抽滤并洗涤。下列说法正确的是____。

A.杂质Fe³⁺可能是在实验过程中氧化生成的

B.再次抽滤获得的滤液中的溶质是TiOSO₄和FeSO₄

C.利用冰盐水快速冷却有利于形成较大的晶体颗粒

D.再次抽滤后的洗涤应选用蒸馏水进行多次洗涤

(3)步骤IV包括钛盐的水解、产物的分离和物质的转化。操作步骤如下∶取一部分步骤III获得的滤液→（________）→（________）→（________）→（_________）→抽滤得偏钛酸(H₂TiO₃)，将偏钛酸在坩埚中加热得到二氧化钛(TiO₂)。

①将下列操作按合理顺序填入以上空格。

a.静置沉降后，用倾析法除去上层水；

b.逐滴加入到沸水中并不停搅拌，继续煮沸约10 min；

c.用热的稀硫酸洗涤沉淀2~3次，然后用热水洗涤沉淀；

d.慢慢加入其余全部滤液，继续煮沸约30 min (过程中适当补充水至原体积)；

②写出操作c中用热水洗涤沉淀的具体过程_____。

(4)①另一种生产TiCl₄的方法是用天然TiO₂晶体为原料，利用步骤V的反应原理获得TiCl₄.。产品中含有SiCl₄、FeCl₃等杂质，可通过精馏的方法获得高纯TiCl₄，以下说法正确的是______。

A.收集TiCl₄时，仪器a中的温度应控制为136.4°C

B. b处温度计的水银球的上沿和支管口的下沿齐平

C.精馏结束时留在圆底烧瓶中的主要成分是FeCl₃和Si

D.装置c中的冷凝水应该“下口进、上口出”

E.可以用水浴加热的方法精馏获得TiCl₄

②d处装有碱石灰的干燥管，作用是________。

Answer

强酸性溶液会腐蚀滤纸 AB b d a c 向烧杯中注入热水，充分搅拌后使固体沉降，用倾析法将清液倒出，重复2~3次直至洗净。 BD 防止空气中的水蒸气进入装置。

【解析】

钛铁矿与浓硫酸加热条件下发生反应生成TiOSO4、FeSO4，发生反应为：FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O，用多次抽滤的方法将不溶于酸的杂质除去，抽滤过程中加入铁粉为保证Fe3+完全转化为Fe2+，滤液为TiOSO4和硫酸亚铁，加热条件下可使TiOSO4水解生成H2TiO3固体和硫酸，发生反应为：TiOSO4+2H2OH2TiO3↓+H2SO4，得到的H2TiO3沉淀经过滤并洗涤、干燥、煅烧得到TiO2，TiO2与C、Cl2反应得到TiCl4，据此分析解答。

(1)钛铁矿石酸溶过程中使用的是浓硫酸，浓硫酸具有强酸性，会腐蚀滤纸，则步骤II抽滤时选用了玻璃砂漏斗；

(2)A．钛铁矿主要成分为偏钛酸亚铁(FeTiO3)，含SiO2、FeO杂质，铁元素都是以+2价形式存在，酸浸时发生反应为：FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O，使用浓硫酸具有强氧化性，可使钛铁矿石中的二价铁氧化为三价铁，则杂质Fe3+是在实验过程中氧化生成的，故A正确；

B．根据分析，再次抽滤过程中加入了铁粉，铁粉可将滤液中的三价铁还原为二价铁，则获得的滤液中的溶质是TiOSO4和FeSO4

C．利用冰盐水快速冷却的目的是降低FeSO4∙7H2O的溶解度，使其从溶液中分离出来，故C错误；

D．为减少FeSO4∙7H2O的溶解，再次抽滤后的洗涤应选用冰水进行多次洗涤，故D错误；

答案选AB。

(3)步骤IV包括钛盐的水解、产物的分离和物质的转化，主要目的是获得偏钛酸，将偏钛酸在坩埚中加热得到二氧化钛(TiO2)。操作步骤为∶取一部分步骤III获得的滤液，逐滴加入到沸水中并不停搅拌，继续煮沸约10 min，慢慢加入其余全部滤液，继续煮沸约30 min (过程中适当补充水至原体积)，静置沉降后，用倾析法除去上层水，用热的稀硫酸洗涤沉淀2~3次，然后用热水洗涤沉淀，经过抽滤得偏钛酸(H2TiO3)，将偏钛酸在坩埚中加热得到二氧化钛(TiO2)，则操作顺序为b、d、a、c；

②操作c中用热水洗涤沉淀的具体过程为：向烧杯中注入热水，充分搅拌后使固体沉降，用倾析法将清液倒出，重复2~3次直至洗净；

(4)①A．根据表格数据可知，SiCl4、FeCl3等杂质的沸点分别为57.6°C 、315°C，TiCl4的沸点为136.4°C，收集TiCl4时，仪器a中的温度应控制为低于315°C即可，故A错误；

B. b处温度计测量的是蒸馏出来的蒸汽的温度，则水银球的上沿和支管口的下沿平齐才能较为准确的测定蒸汽温度，控制蒸馏的温度，故B正确；

C．根据A选项分析可知，精馏结束时留在圆底烧瓶中的主要成分是FeCl3和SiCl4

D．冷凝水的方向应与蒸汽的流动方向相反，则装置c中的冷凝水应该“下口进、上口出”，故D正确；

E．TiCl4的沸点为136.4°C，用水浴加热的方法，温度最高为100度，达不到TiCl4的沸点，不能精馏获得TiCl4，故E错误；

答案选BD；

②根据题给信息，TiCl4极易水解，d处装有碱石灰的干燥管，作用是防止空气中的水蒸气进入装置，避免精馏获得TiCl4发生水解。