Question

11．四川攀枝花蘊藏豐富的釩、鈦、鐵資源．用鈦鐵礦渣（主要成分為TiO₂、FeO、Fe₂O₃，Ti的最高化合價為+4）作原料，生產白色顏料二氧化鈦的主要步驟如下：

（1）硫酸與二氧化鈦反應的化學方程式是TiO₂+2H₂SO₄=Ti（SO₄）₂+2H₂O．
（2）向濾液I中加入鐵粉，發(fā)生反應的離子方程式為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑．
（3）在實際生產過程中，向沸水中加入濾液Ⅲ，使混合液pH達0.5，鈦鹽開始水解．水解過程中不斷通入高溫水蒸氣，維持溶液沸騰一段時間，鈦鹽充分水解析出水合二氧化鈦沉淀．用所學化學平衡原理分析通入高溫水蒸氣的作用加水促進鈦鹽水解，加熱促進鈦鹽水解，降低H⁺濃度促進鈦鹽水解．過濾分離出水合二氧化鈦沉淀后，將濾液返回的主要目的是充分利用濾液中的鈦鹽、H₂O、FeSO₄、H₂SO₄（填化學式），減少廢物排放．
（4）A可用于生產紅色顏料（Fe₂O₃），其方法是：將556a kgA（摩爾質量為278g/mol）溶于水中，加入適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應，鼓入足量空氣攪拌，產生紅褐色膠體；再向紅褐色膠體中加入3336b kg A和112c kg鐵粉，鼓入足量空氣攪拌，反應完成后，有大量Fe₂O₃附著在膠體粒子上以沉淀形式析出；過濾后，沉淀經高溫灼燒得紅色顏料．若所得濾液中溶質只有硫酸鈉和硫酸鐵，則理論上可生產紅色顏料160a+320b+160ckg．

Answer 1

分析 （1）依據流程分析，硫酸與二氧化鈦反應是發(fā)生的復分解反應；
（2）鈦鐵礦渣（主要成分為TiO₂、FeO、Fe₂O₃，Ti的最高化合價為+4）作原料溶解于硫酸過濾后得到濾液中含有鐵離子、亞鐵離子、過濾的硫酸，加入鐵粉和鐵離子反應，和酸反應；
（3）影響鈦鹽水解的因素有濃度、溫度等，由Ti（SO₄）₂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；
（4）考慮最后溶質是只有硫酸鈉和硫酸鐵，根據開始加入A為2a×10³mol加入適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應．，說明加入氫氧化鈉的物質的量為4a×10³mol，后來又加入12b×10³mol的A，和2c×10³mol的鐵．根據電荷守恒，溶質中硫酸鈉消耗硫酸根離子為2a×10³mol，．而溶液中加入的硫酸根離子物質的量共計為（2a+12b）×10³mol，這樣剩下的硫酸根就與鐵離子結合．可知消耗鐵離子為8b×10³mol，根據鐵元素守恒；

解答 解：（1）依據酸的通性，可以與金屬氧化物反應，又知道TI的化合價，可以寫出化學方程式為：TiO₂+2H₂SO₄=Ti（SO₄）₂+2H₂O，
故答案為：；
（2）加入濃硫酸后，濃硫酸可以氧化亞鐵離子，再加入鐵粉，鐵粉可以還原鐵離子，鐵粉還可以與溶液中的H⁺反應，反應的離子方程式為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺；Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑，
故答案為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺；Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑；
（3）影響鈦鹽水解的因素有濃度、溫度等，由Ti（SO₄）₂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．根據該工藝流程知：濾液Ⅲ的主要成分為大量的鈦鹽、溶解的硫酸亞鐵、少量的硫酸（混合液pH達0.5）等，鈦鹽水解后過濾去水合二氧化鈦，得到的濾液中含有未水解的鈦鹽及FeSO₄、H₂SO₄、H₂O等．
故答案為：加水促進鈦鹽水解，加熱促進鈦鹽水解，降低H⁺濃度促進鈦鹽水解；H₂O； FeSO₄； H₂SO₄；
（4）依題意A與適量氫氧化鈉溶液恰好完全反應，FeSO₄+2NaOH=Na₂SO₄+Fe（OH）₂↓，根據開始加入A為2a×10³mol，可知加入氫氧化鈉為4a×10³mol；后來又加入12b×10³mol的A和2c×10³mol的鐵，由Na₂SO₄ 、FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃、Fe₂O₃等化學式的定量組成和守恒思想分別可求得以下各量：利用Na⁺離子守恒，n（NaOH）=2n（Na₂SO₄），可知Na₂SO₄物質的量為2a×10³mol；利用SO₄^2-離子守恒，n（FeSO₄）=n（Na₂SO₄）+3n[Fe₂（SO₄）₃]，可知Fe₂（SO₄）₃物質的量為（2a+12b-2a）×10³mol×$\frac{1}{3}$=4b×10³mol；利用Fe元素守恒，n（FeSO₄）+n（Fe）=2 n[Fe₂（SO₄）₃]+2n（Fe₂O₃），可知n（Fe₂O₃）=（2a+12b+2c-4b×2）×10³mol×$\frac{1}{2}$=（a+2b+c）×10³mol，計算得m（Fe₂O₃）=（160a+320b+160c）kg，
故答案為：160a+320b+160c．

點評 本題考查制備方案的設計，題目難度中等，注意解答化工工藝流程題要全面分析理解流程中各個步驟各有何作用（即各工藝流程的目的是什么）、依次涉及何種反應原理、原料、產品、雜質、副產品等成分是什么、這些物質間如何進行轉化等，在此基礎上，根據各設問，步步深入，進行快速解答，試題培養(yǎng)了學生的分析能力及化學實驗能力．