鈦及其化合物性質(zhì)(補充))

1、 鈦及其化合物性質(zhì)1、自然界存在：鈦在自然界存在豐度0.42%，在所有元素居第10位，我國含量豐富。鈦的主要鈦鐵礦（FeTiO3）和金紅石（TiO2）。2、鈦單質(zhì)閱讀：【純鈦是銀白色的金屬，它具有許多優(yōu)良性能。鈦的密度為4.54gcm3，比鋼輕43% ，比久負盛名的輕金屬鎂稍重一些。機械強度卻與鋼相差不多，比鋁大兩倍，比鎂大五倍。鈦耐高溫，熔點1942K，比黃金高近1000K，比鋼高近500K。鈦屬于化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現(xiàn)出強的抗腐蝕性。因此，一般金屬在酸、

2、堿、鹽的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。 液態(tài)鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。鈦合金制成飛機比其它金屬制成同樣重的飛機多載旅客100多人。制成的潛艇，既能抗海水腐蝕，又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時，鈦無磁性，不會被水雷發(fā)現(xiàn)，具有很好的反監(jiān)護作用。 鈦具有“親生物“性。在人體內(nèi)，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，對任何殺菌方法都適應(yīng)。因此被廣泛用于制醫(yī)療器械，制人造髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脅關(guān)節(jié)、頭蓋骨，主動心瓣、骨骼固定夾。當(dāng)新的肌肉纖維環(huán)包在這些“鈦

3、骨”上時，這些鈦骨就開始維系著人體的正?；顒印?鈦在人體中分布廣泛，正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg，其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細胞，使免疫力增強這一作用已被證實】3、鈦的冶煉鈦在1791年被發(fā)現(xiàn)，而第一次制得純凈的鈦卻是在1910年，中間經(jīng)歷了一百余年。原因在于：鈦在高溫下性質(zhì)十分活潑，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件。 工業(yè)上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法制取二氧化鈦，再由二氧化鈦制取金屬鈦。濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦（精礦），發(fā)生下面的化學(xué)反應(yīng)：FeTiO3+3H2SO4 = Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O FeTiO3+2H2SO4 = TiO

4、SO4+FeSO4+2H2OFeO+H2SO4 = FeSO4+H2O Fe2O3+3H2SO4 = Fe2(SO4)3+3H2O 為了除去雜質(zhì)Fe2(SO4)3，加入鐵屑，F(xiàn)e3+ 還原為Fe2+，然后將溶液冷卻至273K以下，使得FeSO4.7H2O（綠礬）作為副產(chǎn)品結(jié)晶析出。Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉淀，反應(yīng)是：Ti(SO4)2+H2O = TiOSO4+H2SO4TiOSO4+2H2O = H2TiO3+H2SO4鍛燒偏鈦酸即制得二氧化鈦： H2TiO3 = TiO2+H2O工業(yè)上制金屬鈦采用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2（或天然的金紅石）和炭粉混合加熱

5、至10001100K，進行氯化處理，并使生成的TiCl4，蒸氣冷凝。TiO22C2Cl2TiCl42CO在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦：TiCl42Mg2MgC12Ti4、鈦常見化合物(1) 二氧化鈦鈦白是經(jīng)過化學(xué)處理制造出來的純凈的二氧化鈦，它是重要的化工原料。制取鈦白的方法主要有兩種：一種是用干燥的氧氣在9231023K對四氯化鈦進行氣相氧化：TiCl4 + O2 TiO2 + 2Cl2另一種是硫酸法，在此法中，首先使磨細的鈦鐵礦同濃硫酸（濃度在80以上，溫度在343353K）在不斷地通入空氣并攪拌的條件下進行反應(yīng)，制得可溶性硫酸鹽：FeTiO3 + 2H2

6、SO4 TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O由于這一反應(yīng)是放熱的，反應(yīng)劇烈時，溫度可上升到473K左右。用水浸取固相物，得鈦鹽水溶液，通稱鈦液。制取鈦白時，關(guān)鍵的一環(huán)是使鈦液水解，制得水合二氧化鈦沉淀：TiOSO4 + 2H2O TiO2H2O + H2SO4根據(jù)中和水解平衡移動原理可知，鈦液的濃度、酸度及溫度均能影響水解反應(yīng)的進行，濃度越小，酸度越小，溫度越高，水解反應(yīng)越容易發(fā)生。因此，鈦液的水解有稀釋水解、加堿中和水解和加熱水解三種方法。目前大量應(yīng)用的是加熱水解法。雖然鈦液濃度較大，酸度較高，但只要加熱提高鈦液的溫度，也能促使水解的發(fā)生，使水合二氧化鈦沉淀析出。為了提高鈦液的溫度，以

7、便加快水解反應(yīng)速度，提高水解率，常常要在加壓的條件下進行加熱水解。這樣也可使生成的沉淀顆粒比較緊密：產(chǎn)品鈦白有較好物理性能。將水解所得的水合二氧化鈦（一般稱為偏鈦酸，即b 型鈦酸）過濾洗滌，然后在高溫下（11731223K）鍛燒，即得產(chǎn)品鈦白。二氧化鈦受熱時為淺黃色，冷下來呈白色。在制取鈦白的過程中，需要測定鈦液中Ti(IV)的含量。測定時首先往鈦液中加鋁片，將Ti(IV)還原為Ti3+：3Ti(IV) + Al 3Ti3+ + Al3+然后，通過測定Ti3+，得知鈦液中Ti(IV)的含量。Ti3+離子有還原性，其還原能力比Sn2+離子還要強。根據(jù)：TiO2+（水） + 2H+ + e- Ti

8、3+ + H2O Fe3+ + Fe Fe2+Ti3+離子可以還原Fe3+離子：Ti3+ + Fe3+ Ti(IV) + Fe2+根據(jù)這個反應(yīng)，以KSCN為指示劑，用標準的Fe3+溶液，以滴定法測定溶液中Ti3+的含量。滴定時，F(xiàn)e3+稍一過量，即與SCN-生成血紅色的FeSCN2+表示反應(yīng)已達終點。鈦白的用途很廣泛。由于它化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，物理性能優(yōu)異，兼有鉛白的遮蓋性能和鋅白的持久性能；常用來作高級白色顏料，在造紙工業(yè)中作填充劑，合成纖維中作消光劑。將二氧化鈦與碳酸鋇一起熔融（加入氯化鋇或碳酸鈉作助熔劑）得偏鈦酸鋇：TiO2 + BaCO3 BaTiO3 + CO2偏鈦酸鋇具有顯著的“壓電性能

9、”，用于超聲波發(fā)生裝置中。二氧化鈦不溶于水或稀酸，但能溶于熱濃硫酸或熔化的硫酸氫鉀中，如：TiO2 + H2SO4 TiOSO4 + H2O二氧化鈦溶于濃硫酸所得溶液雖然是酸性的，但加熱煮沸也能發(fā)生水解，得到不溶于酸、堿的水合二氧化鈦（即b 型鈦酸）。若加堿于新制備的鈦鹽的酸性溶液，得到新鮮水合二氧化鈦（即a型鈦酸），其反應(yīng)活性比b 鈦酸大，能溶于稀酸，也能溶于濃堿。溶于濃氫氧化鈉后，從溶液中可以結(jié)晶析出化學(xué)式為Na2TiO3nH2O的水合鈦酸鹽。將鈦酸(TiO2xH2O)或二氧化鈦用濃硫酸加熱轉(zhuǎn)化，生成硫酸氧鈦TiOSO4或稱硫酸鈦酰，它為白色粉末，能溶于冷水中，熱水會使它分解。TiOSO4

10、 + H2O TiO2 + H2SO4自由狀態(tài)的硫酸鈦正鹽Ti(SO4)2尚未能確定其存在。另一方面，已知有M(I)2Ti(SO4)3型三硫酸基鈦酸鹽，例如銨鹽(NH4)2Ti(SO4)32H2O。在白然界中廣泛存在得鈦鐵礦是偏鈦酸鐵FeTiO3。可注意的是，它和Fe2O3屬同晶形。因此，鈦鐵礦共存于赤鐵礦(Fe2O3)中，其中TiO2含量最高，竟達7。（2）三價鈦化合物用鋅及酸還原四價鈦化合物溶液，或用電解還原法，容易獲得三價鈦化合物。三價鈦離子呈紫色，具有強烈的還原性，比二價錫的還原性還要強得多。將四氯化鈦和多量氫的混合氣體導(dǎo)過灼熱管即可制取無水三氯化鈦TiCl3，它為紫色粉末。三氯化鈦若

11、在700于氫氣流中加熱，就變?yōu)門iCl2和TiCl4。用鋅處理四價鈦鹽的鹽酸溶液，或?qū)⑩伻苡邴}酸中，得三氯化鈦的水溶液，可以結(jié)出六水合三氯化鈦TiCl36H2O的紫色晶體。如果在濃的溶液上面，加一層無水乙醚，并導(dǎo)入氯化氫至飽和，可由綠色的乙醚溶液中得綠色的六水合物。重要的鈦鹵化物有TiCl3、TiCl4和TiI4。室溫下，鈦不與熱堿反應(yīng)，不與一般無機酸反應(yīng)，但可溶于氫氟酸Ti + 6HF= TiF62- +2H+ + 2H2 TiCl4 分子晶體，常溫下是一種無色液體。極易發(fā)生水解，暴露在空氣中會發(fā)煙，故可用于制作煙霧彈：TiCl4 +2H2 O TiO2 + 4HCl 鈦相關(guān)高考試題【201

12、7年高考試題全國1卷】27（14分）Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦（主要成分為FeTiO3,還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì)）來制備。工藝流程如下：回答下列問題：（1）“酸浸”實驗中，鐵的浸出率結(jié)果如下圖所示。由圖可知，當(dāng)鐵的浸出率為70%時，所采用的實驗條件為_。（2）“酸浸”后，鈦主要以TiOCl42-形式存在，寫出相應(yīng)反應(yīng)的離子方程式_。（3）TiO2xH2O沉淀與雙氧水，氨水反應(yīng)40 min所得實驗結(jié)果如下表所示 ：溫度/3035404550TiO2xH2O轉(zhuǎn)化率%9295979388分析40時TiO2xH2O轉(zhuǎn)化率最高的原因_。（4）Li2T

13、i5O15中Ti的化合價為+4，其中過氧鍵的數(shù)目為_。（5）若“濾液”中c(Mg2+)=0.02 mol/L，加入雙氧水和磷酸（設(shè)溶液體積增加1倍），使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=110-5 mol/L，此時是否Mg3(PO4)2沉淀生成？_（列式計算）。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分別為1.310-22、1.010-24。（6）寫出“高溫煅燒”中由FePO4制備LiFePO4的化學(xué)方程式_?！敬鸢浮浚?）100、2h，90，5h （2）FeTiO3+ 4H+4Cl = Fe2+ + 2H2O（3）低于40，TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率隨溫度升高而增加；超過40，雙氧

14、水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率下降 （4）4 （5）Fe3+恰好沉淀完全時，c()=molL1=1.31017 molL1，c3(Mg2+)c2()(0.01)3(1.31017)2=1.71040Ksp Mg3(PO4)2，因此不會生成Mg3(PO4)2沉淀。（6）2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O+ 3CO2【2017北京卷】（13分）TiCl4是由鈦精礦（主要成分為TiO2）制備鈦（Ti）的重要中間產(chǎn)物，制備純TiCl4的流程示意圖如下：資料：TiCl4及所含雜質(zhì)氯化物的性質(zhì)化合物SiCl4TiCl4AlCl3FeCl3MgCl2沸

15、點/58136181（升華）3161412熔點/6925193304714在TiCl4中的溶解性互溶微溶難溶（1）氯化過程：TiO2與Cl2難以直接反應(yīng)，加碳生成CO和CO2可使反應(yīng)得以進行。已知：TiO2(s)+2 Cl2(g)= TiCl4(g)+ O2(g) H1=+175.4 kJmol-12C(s)+O2(g)=2CO(g) H2=-220.9 kJmol-1沸騰爐中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的熱化學(xué)方程式：_ _。 氯化過程中CO和CO2可以相互轉(zhuǎn)化，根據(jù)如圖判斷：CO2生成CO反應(yīng)的H_0（填“”“”或“=”），判斷依據(jù)：_ _。 氯化反應(yīng)的尾氣須處理后排放，尾氣中

16、的HCl和Cl2經(jīng)吸收可得粗鹽酸、FeCl3溶液，則尾氣的吸收液依次是_。 氯化產(chǎn)物冷卻至室溫，經(jīng)過濾得到粗TiCl4混合液，則濾渣中含有_。（2）精制過程：粗TiCl4經(jīng)兩步蒸餾得純TiCl4。示意圖如下：物質(zhì)a是_，T2應(yīng)控制在_。【答案】（1）TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g) H=-45.5 kJ/mol 隨溫度升高，CO含量增大，說明生成CO的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)H2O、FeCl2溶液、NaOH溶液 MgCl2、AlCl3、FeCl3 （2）SiCl4 高于136，低于181【廣東省模擬試題選】【1998年上海高考試題】【廣東省模擬題】【2005年廣

17、東高考試題】、【2013年山東高考試題】30（15分）TiO2既是制備其他含鈦化合物的原料，又是一種性能優(yōu)異的白色顏料。（1）實驗室利用反應(yīng)TiO2（s）+2CCl4（g）=TiCl4（g）+CO2（g），在無水無氧條件下，制取TiCl4實驗裝置示意圖如下有關(guān)性質(zhì)如下表物質(zhì)熔點/沸點/其他CCl4-2376與TiCl4互溶TiCl4-25136遇潮濕空氣產(chǎn)生白霧儀器A的名稱是 ，裝置E中的試劑是 。反應(yīng)開始前依次進行如下操作：停止通氮氣熄滅酒精燈冷卻至室溫。正確的順序為 （填序號）。欲分離D中的液態(tài)混合物，所采用操作的名稱是 。（2）工業(yè)上由鈦鐵礦（FeTiO3）(含F(xiàn)e2O3、SiO2等雜質(zhì)

18、)制備TiO2的有關(guān)反應(yīng)包括：90酸溶FeTiO3（s）+2H2SO4（aq）=FeSO4（aq）+ TiOSO4（aq）+ 2H2O（l）水解TiOSO4（aq）+ 2H2O（l）= H2TiO3（s）+H2SO4（aq） 簡要工藝流程如下：試劑A為 。鈦液需冷卻至70左右，若溫度過高會導(dǎo)致產(chǎn)品收率降低，原因是 取少量酸洗后的H2TiO3，加入鹽酸并振蕩，滴加KSCN溶液后無明顯現(xiàn)象，再加H2O2后出現(xiàn)微紅色，說明H2TiO3中存在的雜質(zhì)離子是 。這種H2TiO3即使用水充分洗滌，煅燒后獲得的TiO2也會發(fā)黃，發(fā)黃的雜質(zhì)是 （填化學(xué)式）。解析：（1）儀器A是干燥管，因為TiCl4遇到水蒸氣會

19、水解，所以E中可以用濃硫酸來隔離空氣。對于氣體的制取性質(zhì)實驗應(yīng)該：組裝儀器、檢驗氣密性、加裝藥品。終止實驗時為防止倒吸，應(yīng)先熄滅酒精燈，冷卻到室溫后再停止通入N2。分離兩種沸點不同的液體混合物應(yīng)該用蒸餾。（2）因為礦石經(jīng)硫酸溶解后得到的Fe2(SO4)3，而后面過濾得到的是FeSO47H2O，所以試劑A是鐵粉，把Fe3+還原為Fe2+。由于TiOSO4容易水解，若溫度過高，則會有較多TiOSO4水解為固體H2TiO3而經(jīng)過濾進入FeSO47H2O中導(dǎo)致TiO2產(chǎn)率降低。加KSCN溶液無現(xiàn)象，加H2O2后出現(xiàn)紅色，說明存在Fe2+。經(jīng)加熱后Fe2+氧化為Fe2O3而使產(chǎn)品發(fā)黃。答案：（1）干燥管；濃硫酸；檢查氣密性；，蒸餾（2）鐵粉，由于TiOSO4容易水解，若溫度過高，則會有較多TiOSO4水解為固體H2TiO3而經(jīng)過濾進入FeSO47H2O中導(dǎo)致TiO2產(chǎn)率降低。Fe2+，F(xiàn)e2O3【2010年四川高考試題】29.（16分）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(chǎn)白色顏料二氧化鈦的主要步驟如下：（1）