钛及其化合物性质补充.docx
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钛及其化合物性质补充
钛及其化合物性质
1、自然界存在：
钛在自然界存在丰度0.42%，在所有元素居第10位，我国含量丰富。
钛的主要钛铁矿〔FeTiO3〕和金红石〔TiO2〕。
2、钛单质
阅读：
【纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。
钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43%，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。
机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。
钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。
钛属于化学性质比较活泼的金属。
加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。
但在常温下，钛外表易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。
因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。
液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。
钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。
钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。
钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。
制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。
同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。
钛具有“亲生物“’性。
在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。
因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。
当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。
钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。
但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实】
3、钛的冶炼
钛在1791年被发现，而第一次制得纯洁的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。
原因在于：
钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。
浓硫酸处理磨碎的钛铁矿〔精矿〕，发生下面的化学反应：
FeTiO3+3H2SO4==Ti（SO4）2+FeSO4+3H2O FeTiO3+2H2SO4==TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4==FeSO4+H2O Fe2O3+3H2SO4==Fe2（SO4）3+3H2O
为了除去杂质Fe2（SO4）3，加入铁屑，Fe3+复原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4.7H2O〔绿矾〕作为副产品结晶析出。
Ti（SO4）2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：
Ti（SO4）2+H2O==TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O==H2TiO3+H2SO4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3==TiO2+H2O
工业上制金属钛采用金属热复原法复原四氯化钛。
将TiO2〔或天然的金红石〕和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。
TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO
在1070K用熔融的镁在氩气中复原TiCl4可得多孔的海绵钛：
TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti
4、钛常见化合物
（1）二氧化钛
钛白是经过化学处理制造出来的纯洁的二氧化钛，它是重要的化工原料。
制取钛白的方法主要有两种：
一种是用干燥的氧气在923～1023K对四氯化钛进行气相氧化：
TiCl4+O2＝TiO2+2Cl2
另一种是硫酸法，在此法中，首先使磨细的钛铁矿同浓硫酸〔浓度在80％以上，温度在343～353K〕在不断地通入空气并搅拌的条件下进行反应，制得可溶性硫酸盐：
FeTiO3+2H2SO4＝TiOSO4+FeSO4+2H2O
由于这一反应是放热的，反应剧烈时，温度可上升到473K左右。
用水浸取固相物，得钛盐水溶液，通称钛液。
制取钛白时，关键的一环是使钛液水解，制得水合二氧化钛沉淀：
TiOSO4+2H2O＝TiO2·H2O+H2SO4
根据中和－水解平衡移动原理可知，钛液的浓度、酸度及温度均能影响水解反应的进行，浓度越小，酸度越小，温度越高，水解反应越容易发生。
因此，钛液的水解有稀释水解、加碱中和水解和加热水解三种方法。
目前大量应用的是加热水解法。
虽然钛液浓度较大，酸度较高，但只要加热提高钛液的温度，也能促使水解的发生，使水合二氧化钛沉淀析出。
为了提高钛液的温度，以便加快水解反应速度，提高水解率，常常要在加压的条件下进行加热水解。
这样也可使生成的沉淀颗粒比较紧密：
产品钛白有较好物理性能。
将水解所得的水合二氧化钛〔一般称为偏钛酸，即β型钛酸〕过滤洗涤，然后在高温下〔1173～1223K〕锻烧，即得产品钛白。
二氧化钛受热时为浅黄色，冷下来呈白色。
在制取钛白的过程中，需要测定钛液中Ti（IV）的含量。
测定时首先往钛液中加铝片，将Ti（IV）复原为Ti3+：
3Ti（IV）+Al＝3Ti3++Al3+然后，通过测定Ti3+，得知钛液中Ti（IV）的含量。
Ti3+离子有复原性，其复原能力比Sn2+离子还要强。
根据：
TiO2+〔水〕+2H++e-＝Ti3++H2O Fe3++Fe＝Fe2+
Ti3+离子可以复原Fe3+离子：
Ti3++Fe3+＝Ti（IV）+Fe2+
根据这个反应，以KSCN为指示剂，用标准的Fe3+溶液，以滴定法测定溶液中Ti3+的含量。
滴定时，Fe3+稍一过量，即与SCN-生成血红色的[FeSCN]2+表示反应已达终点。
钛白的用途很广泛。
由于它化学性质稳定，物理性能优异，兼有铅白的遮盖性能和锌白的持久性能；常用来作高级白色颜料，在造纸工业中作填充剂，合成纤维中作消光剂。
将二氧化钛与碳酸钡一起熔融〔加入氯化钡或碳酸钠作助熔剂〕得偏钛酸钡：
TiO2+BaCO3＝BaTiO3+CO2↑
偏钛酸钡具有显著的“压电性能”，用于超声波发生装置中。
二氧化钛不溶于水或稀酸，但能溶于热浓硫酸或熔化的硫酸氢钾中，如：
TiO2+H2SO4＝TiOSO4+H2O
二氧化钛溶于浓硫酸所得溶液虽然是酸性的，但加热煮沸也能发生水解，得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛〔即β型钛酸〕。
假设加碱于新制备的钛盐的酸性溶液，得到新鲜水合二氧化钛〔即α型钛酸〕，其反应活性比β钛酸大，能溶于稀酸，也能溶于浓碱。
溶于浓氢氧化钠后，从溶液中可以结晶析出化学式为Na2TiO3·nH2O的水合钛酸盐。
将钛酸（TiO2·xH2O）或二氧化钛用浓硫酸加热转化，生成硫酸氧钛TiOSO4或称硫酸钛酰，它为白色粉末，能溶于冷水中，热水会使它分解。
TiOSO4+H2O＝TiO2+H2SO4
自由状态的硫酸钛正盐Ti（SO4）2尚未能确定其存在。
另一方面，已知有M（I）2[Ti（SO4）3]型三硫酸基钛酸盐，例如铵盐（NH4）2[Ti（SO4）3]·2H2O。
在白然界中广泛存在得钛铁矿是偏钛酸铁FeTiO3。
可注意的是，它和Fe2O3属同晶形。
因此，钛铁矿共存于赤铁矿（Fe2O3）中，其中TiO2含量最高，竟达7％。
〔2〕三价钛化合物
用锌及酸复原四价钛化合物溶液，或用电解复原法，容易获得三价钛化合物。
三价钛离子呈紫色，具有强烈的复原性，比二价锡的复原性还要强得多。
将四氯化钛和多量氢的混合气体导过灼热管即可制取无水三氯化钛TiCl3，它为紫色粉末。
三氯化钛假设在700℃于氢气流中加热，就变为TiCl2和TiCl4。
用锌处理四价钛盐的盐酸溶液，或将钛溶于盐酸中，得三氯化钛的水溶液，可以结出六水合三氯化钛TiCl3·6H2O的紫色晶体。
如果在浓的溶液上面，加一层无水乙醚，并导入氯化氢至饱和，可由绿色的乙醚溶液中得绿色的六水合物。
重要的钛卤化物有TiCl3、TiCl4和TiI4。
室温下，钛不与热碱反应，不与一般无机酸反应，但可溶于氢氟酸
Ti+6HF===[TiF6]2-+2H++2H2
TiCl4分子晶体，常温下是一种无色液体。
极易发生水解，暴露在空气中会发烟，故可用于制作烟雾弹：
TiCl4+2H2O＝TiO2+4HCl
钛相关高考试题
【2017年高考试题全国1卷】27〔14分〕Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿〔主要成分为FeTiO3,还含有少量MgO、SiO2等杂质〕来制备。
工艺流程如下：
答复以下问题：
〔1〕“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如以下图所示。
由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为_______________________________________________。
〔2〕“酸浸”后，钛主要以TiOCl42-形式存在，写出相应反应的离子方程式_______________________________________________。
〔3〕TiO2·xH2O沉淀与双氧水，氨水反应40min所得实验结果如下表所示：
温度/℃
30
35
40
45
50
TiO2·xH2O转化率%
92
95
97
93
88
分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因______________________________。
〔4〕Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4，其中过氧键的数目为__________________。
〔5〕假设“滤液②”中c（Mg2+）=0.02mol/L，加入双氧水和磷酸〔设溶液体积增加1倍〕，使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c（Fe3+）=1×10-5mol/L，此时是否Mg3（PO4）2沉淀生成？
___________〔列式计算〕。
FePO4、Mg3（PO4）2的Ksp分别为1.3×10-22、1.0×10-24。
〔6〕写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式_____________。
【答案】〔1〕100℃、2h，90℃，5h〔2〕FeTiO3+4H++4Cl−=Fe2++
+2H2O
〔3〕低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降〔4〕4
〔5〕Fe3+恰好沉淀完全时，c（
）=
mol·L−1=1.3×10–17mol·L−1，c3（Mg2+）×c2（
）＝（0.01）3×（1.3×10–17）2=1.7×10–40＜Ksp[Mg3（PO4）2]，因此不会生成Mg3（PO4）2沉淀。
〔6〕2FePO4+Li2CO3+H2C2O4
2LiFePO4+H2O↑+3CO2↑
【2017北京卷】〔13分〕TiCl4是由钛精矿〔主要成分为TiO2〕制备钛〔Ti〕的重要中间产物，制备纯TiCl4的流程示意图如下：
资料：
TiCl4及所含杂质氯化物的性质
化合物
SiCl4
TiCl4
AlCl3
FeCl3
MgCl2
沸点/℃
58
136
181〔升华〕
316
1412
熔点/℃
−69
−25
193
304
714
在TiCl4中的溶解性
互溶
——
微溶
难溶
〔1〕氯化过程：
TiO2与Cl2难以直接反应，加碳生成CO和CO2可使反应得以进行。
已知：
TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+O2（g）ΔH1=+175.4kJ·mol-1
2C（s）+O2（g）=2CO（g）ΔH2=-220.9kJ·mol-1
沸腾炉中加碳氯化生成TiCl4（g）和CO（g）的热化学方程式：
_______________________。
②氯化过程中CO和CO2可以相互转化，根据如图判断：
CO2生成CO反应的ΔH_____0〔填“＞”“＜”或“=”〕，判断依据：
_______________。
③氯化反应的尾气须处理后排放，尾气中的HCl和Cl2经吸收可得粗盐酸、FeCl3溶液，则尾气的吸收液依次是__________________________。
④氯化产物冷却至室温，经过滤得到粗TiCl4混合液，则滤渣中含有_____________。
〔2〕精制过程：
粗TiCl4经两步蒸馏得纯TiCl4。
示意图如下：
物质a是______________，T2应控制在_________。
【答案】〔1〕①TiO2（s）+2Cl2（g）+2C（s）=TiCl4（g）+2CO（g）△H=-45.5kJ/mol
②>随温度升高，CO含量增大，说明生成CO的反应是吸热反应
③H2O、FeCl2溶液、NaOH溶液④MgCl2、AlCl3、FeCl3〔2〕SiCl4高于136℃，低于181℃
【广东省模拟试题选】
【1998年上海高考试题】
【广东省模拟题】
【2005年广东高考试题】
、【2013年山东高考试题】30．〔15分〕TiO2既是制备其他含钛化合物的原料，又是一种性能优异的白色颜料。
〔1〕实验室利用反应TiO2〔s〕+2CCl4〔g〕==TiCl4〔g〕+CO2〔g〕，在无水无氧条件下，制取TiCl4实验装置示意图如下
有关性质如下表
物质
熔点/℃
沸点/℃
其他
CCl4
-23
76
与TiCl4互溶
TiCl4
-25
136
遇潮湿空气产生白雾
仪器A的名称是，装置E中的试剂是。
反应开始前依次进行如下操作：
停止通氮气
熄灭酒精灯
冷却至室温。
正确的顺序为〔填序号〕。
欲别离D中的液态混合物，所采用操作的名称是。
〔2〕工业上由钛铁矿〔FeTiO3〕（含Fe2O3、SiO2等杂质）制备TiO2的有关反应包括：
90℃
酸溶FeTiO3〔s〕+2H2SO4〔aq〕==FeSO4〔aq〕+TiOSO4〔aq〕+2H2O〔l〕
水解TiOSO4〔aq〕+2H2O〔l〕==H2TiO3〔s〕+H2SO4〔aq〕
简要工艺流程如下：
试剂A为。
钛液Ⅰ需冷却至70℃左右，假设温度过高会导致产品收率降低，原因是
取少量酸洗后的H2TiO3，加入盐酸并振荡，滴加KSCN溶液后无明显现象，再加H2O2后出现微红色，说明H2TiO3中存在的杂质离子是。
这种H2TiO3即使用水充分洗涤，煅烧后获得的TiO2也会发黄，发黄的杂质是〔填化学式〕。
解析：
〔1〕仪器A是干燥管，因为TiCl4遇到水蒸气会水解，所以E中可以用浓硫酸来隔离空气。
对于气体的制取性质实验应该：
组装仪器、检验气密性、加装药品。
。
。
。
。
终止实验时为防止倒吸，应先熄灭酒精灯，冷却到室温后再停止通入N2。
别离两种沸点不同的液体混合物应该用蒸馏。
〔2〕①因为矿石经硫酸溶解后得到的Fe2（SO4）3，而后面过滤得到的是FeSO4·7H2O，所以试剂A是铁粉，把Fe3+复原为Fe2+。
由于TiOSO4容易水解，假设温度过高，则会有较多TiOSO4水解为固体H2TiO3而经过滤进入FeSO4·7H2O中导致TiO2产率降低。
②加KSCN溶液无现象，加H2O2后出现红色，说明存在Fe2+。
经加热后Fe2+氧化为Fe2O3而使产品发黄。
答案：
〔1〕干燥管；浓硫酸；检查气密性；②③①，蒸馏
〔2〕①铁粉，由于TiOSO4容易水解，假设温度过高，则会有较多TiOSO4水解为固体H2TiO3而经过滤进入FeSO4·7H2O中导致TiO2产率降低。
②Fe2+，Fe2O3
【2010年四川高考试题】29.〔16分〕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：
〔1〕硫酸与二氧化钛反应的化学方程式是。
〔2〕向滤液I中加入铁粉，发生反应的离子方程式为：
、
。
〔3〕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：
。
过滤别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。
〔4〕A可用于生成红色颜料（Fe2O3），其方法是：
将556akgA（摩尔质量为278g·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3336bkgA和112ckg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。
假设所得滤液中溶质只有硫酸钠和硫酸铁，则理论上课生成红色颜料
kg。
【答案】〔16分〕〔1〕TiO2+2H2SO4=Ti（SO4）2+2H2O或TiO2+H2SO4＝TiOSO4+H2O（2分）
〔2〕2Fe3＋+Fe=3Fe2＋Fe+2H＋=Fe2＋+H2↑〔各2分，共4分〕
〔3〕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〔答对1点给1分，共3分〕
H2OFeSO4H2SO4〔答对1点给1分，共3分〕（4）160a+320b+160c（4分）
【模拟试题选】
【2008年全国化学竞赛试题】
【2015年辽宁化学竞赛试题】
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