钛及其化合物性质(补充))

高三8班高考常考元素知识补充---钛1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，钛表面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，而第一次制得纯净的钛却是在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+3H2OFeTiO3+2H2SO4==TiOSO4+FeSO4+2H2OFeO+H2SO4==FeSO4+H2OFe2O3+3H2SO4==Fe2(SO4)3+3H2O为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为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+H2SO4TiOSO4+2H2O==H2TiO3+H2SO4高三8班高考常考元素知识补充---钛2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还原法还原四氯化钛。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还原TiCl4可得多孔的海绵钛：TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti4、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净的二氧化钛，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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)还原为Ti3+：3Ti(IV)+Al＝3Ti3++Al3+然后，通过测定Ti3+，得知钛液中Ti(IV)的含量。Ti3+离子有还原性，其还原能力比Sn2+离子还要强。根据：TiO2+（水）+2H++e-＝Ti3++H2OFe3++Fe＝Fe2+Ti3+离子可以还原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高三8班高考常考元素知识补充---钛3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型钛酸）。若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型钛酸），其反应活性比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还原四价钛化合物溶液，或用电解还原法，容易获得三价钛化合物。三价钛离子呈紫色，具有强烈的还原性，比二价锡的还原性还要强得多。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。三氯化钛若在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++2H2TiCl4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高三8班高考常考元素知识补充---钛4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：回答下列问题：（1）“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。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/℃3035404550TiO2·xH2O转化率%9295979388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）若“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++24TiOCl+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高三8班高考常考元素知识补充---钛5（5）Fe3+恰好沉淀完全时，c(34PO)=2251.3101.010mol·L−1=1.3×10–17mol·L−1，c3(Mg2+)×c2(34PO)＝(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高温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SiCl4TiCl4AlCl3FeCl3MgCl2沸点/℃58136181（升华）3161412熔点/℃−69−25193304714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-12C(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)+2C