逍遥学能 2014-02-13 08:53
例题：(2010·四川高考29)四川攀枝花蕴藏丰富的钒、钛、铁资源。用钛铁矿渣(主要成分为TiO2、FeO、Fe2O3，Ti的最高化合价为+4)作原料，生产白色颜料二氧化钛的主要步骤如下：
请回答下列问题：
⑴硫酸与二氧化钛反应的化学方程式是_________________________。
⑵向滤液Ⅰ中加入铁粉，发生反应的离子方程式为：______、_______ _。
⑶在实际生产过程中，向沸水中加入滤液Ⅲ，使混合液pH达0.5，钛盐开始水解。水解过程中不断通入高温水蒸气，维持溶液沸腾一段时间，钛盐充分水解析出水合二氧化钛沉淀。请用所学化学平衡原理分析通入高温水蒸气的作用：_____________________________。
过滤分离出水合二氧化钛沉淀后，将滤液返回的主要目的是充分利用滤液中的钛盐、______、_________、________ (填化学式)，减少废物排放。
⑷A可用于生产红色颜料(Fe2O3)，其方法是：将 556a kgA(摩尔质量为278 g·mol-1)溶于水中，加入适量氢氧化钠溶液恰好完全反应，鼓入足量空气搅拌，产生红褐色胶体；再向红褐色胶体中加入3336b kg A和112c kg铁粉，鼓入足量空气搅拌，反应完成后，有大量Fe2O3附着在胶体粒子上以沉淀形式析出；过滤后，沉淀经高温灼烧得红色颜料。若所得滤液中溶质只有硫酸钠和硫酸铁，则理论上可生产红色颜料_______________________kg。
解析：⑴用浓硫酸处理钛铁矿渣的目的是让钛铁矿渣转化为溶液，硫酸与金属氧化物TiO2等可发生复分解反应生成盐和水，由于Ti元素为+4价，可写出硫酸钛盐的化学式，故化学方程式为：TiO2+2H2SO4===Ti(SO4)2+2H2O或TiO2+H2SO4===TiOSO4+H2O。
⑵依题意，由于钛铁矿渣中的Fe2O3被浓硫酸溶解，故滤液Ⅰ中一定含有H+和Fe3+离子等，加入铁粉反应后，铁粉有剩余，必然发生离子反应：Fe+2Fe3+==3Fe2+ ，Fe+2H+=== Fe2++H2↑。注意铁粉与滤液中的H+反应不可漏答。
⑶影响钛盐水解的因素有浓度、温度等，由Ti(SO4)2水解呈酸性，知沸水、高温水蒸气、维持溶液沸腾等均为升温，沸水、高温水蒸气即加水且降低H+浓度，故高温水蒸气使水解平衡移动的作用是：加水、加热、降低H+浓度均可促进钛盐水解。根据该工艺流程知：滤液Ⅲ的主要成分为大量的钛盐、溶解的硫酸亚铁、少量的硫酸(混合液pH达0.5)等，钛盐水解后过滤去水合二氧化钛，得到的滤液中含有未水解的钛盐及FeSO4、H2SO4、H2O等。
⑷依题意A与适量氢氧化钠溶液恰好完全反应，FeSO4+2NaOH===Na2SO4+Fe(OH)2↓，根据开始加入A为2a×103mol，可知加入氢氧化钠为4a×103mol；后来又加入12b×103mol的A和2c×103mol的铁，由Na2SO4 、FeSO4、Fe2(SO4)3、Fe2O3等化学式的定量组成和守恒思想分别可求得以下各量：利用Na+离子守恒，n(NaOH)= 2n(Na2SO4)，可知Na2SO4物质的量为2a×103mol；利用SO42-离子守恒，n(FeSO4)= n(Na2SO4)+ 3n[Fe2(SO4)3]，可知Fe2(SO4)3物质的量为(2a+12b-2a)×103mol×1/3 = 4b×103mol；利用Fe元素守恒，n(FeSO4)+n(Fe)= n[Fe2(SO4)3] +2n(Fe2O3)，可知n(Fe2O3)= (2a+12b+2c-4b×2)×103mol×1/2=(a+2b+c)×103mol，计算得m(Fe2O3)=(160a+320b+160c)kg。
答案：⑴TiO2+2H2SO4===Ti(SO4)2+2H2O或TiO2+H2SO4===TiOSO4+H2O
⑵Fe+2Fe3+===3Fe2+ Fe+2H+ ===Fe2++H2↑ ⑶加水促进钛盐水解，加热促进钛盐水解，降低H+浓度促进钛盐水解 FeSO4、H2SO4、H2O ⑷160a+320b+160c。
反思：解答化工工艺流程题要全面分析理解流程中各个步骤各有何作用(即各工艺流程的目的是什么)、依次涉及何种反应原理、原料、产品、杂质、副产品等成分是什么、这些物质间如何进行转化等，在此基础上，根据各设问，步步深入，进行快速解答。该题第(4)问属于定量计算题，由于涉及反应的物质较多，反应原理不太清晰，解题思路不易建立，要自觉应用微粒意识、定量意识、守恒意识等，从化学方程式和化学式中寻找各种定量关系建立解题关系，开辟解题途径，有依据的扎实求解。