钛及其化合物性质

钛及其化合物性质
1、钛单质，自然界存在：钛的主要钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2）。

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O
2、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。

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。

2、钛的冶炼
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）：
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+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+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＋Ti
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3、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。

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+ + H2O Fe3+ + 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
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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
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。

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
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
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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：
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40 min所得实验结果如下表所示：
4
5
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+)=0.02 mol/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+)=1×10-5 mol/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
（5）Fe3+恰好沉淀完全时，c(
34PO -)=2251.3101.010--⨯⨯mol·L−1=1.3×10–17 mol·L−1，c3(Mg2+)×c2(3
4PO -)＝(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SiCl4 TiCl4 AlCl3 FeCl3 MgCl2
316 1412 沸点/℃58 136 181（升
华）
熔点/℃−69 −25 193 304 714
互溶——微溶难溶在TiCl4中的溶
解性
（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)+2 Cl2(g)= TiCl4(g)+ O2(g) ΔH1=+175.4 kJ·mol-1
2C(s)+O2(g)=2CO(g) ΔH2=-220.9 kJ·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
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__________________________。

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=-45.5 kJ/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】
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【1998年上海高考试题】
8
【广东省模拟题】
9
【2005年广东高考试题】
10
、【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
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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：①停止通氮气②熄灭酒精灯③冷却至室温。

正确的顺序为 （填序号）。

欲分离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： 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：
钛铁矿 硫酸
矿渣―――→
冷却 (70℃)
钛液I 试剂A
剩余的试剂A ―――――→结晶
过滤
FeSO4·7H2O
钛液II ―――――→水解、过滤
90℃
①酸洗
②水洗
H2TiO3
――――――→干燥、煅烧
TiO2
①试剂A 为 。

钛液Ⅰ需冷却至70℃左右，若温度过高会导致产品收率降低，原
90℃
因是
②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。

分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+还原为Fe2+。

由于TiOSO4容易水解，若温度过高，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，若温度过高，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
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【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。

（4）A可用于生成红色颜料(Fe2O3)，其方法是：将556a kg A(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
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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）
H2O FeSO4 H2SO4（答对1点给1分，共3分）(4) 160a+320b+160c (4分)
【模拟试题选】
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【2008年全国化学竞赛试题】
【2015年辽宁化学竞赛试题】
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