Question

【題目】納米TiO2是一種重要的光催化劑。以鈦酸酯Ti(OR)4為原料制備納米TiO2的步驟如下：

①組裝裝置如下圖所示，保持溫度約為65℃，先將30mL鈦酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]加入盛有無水乙醇的三頸燒瓶，再加入3mL乙酰丙酮，充分?jǐn)嚢瑁?/span>

②將含水20％的乙醇溶液緩慢滴入三頸燒瓶中，得到二氧化鈦溶膠；

③將二氧化鈦溶膠干燥得到二氧化鈦凝膠，灼燒凝膠得到納米TiO2。

已知，鈦酸四丁酯能溶于除酮類物質(zhì)以外的大部分有機溶劑，遇水劇烈水解；Ti(OH)4不穩(wěn)定，易脫水生成TiO2，回答下列問題：

(1)儀器a的名稱是_______，冷凝管的作用是________。

(2)加入的乙酰丙酮可以減慢水解反應(yīng)的速率，其原理可能是________(填標(biāo)號)。

a.增加反應(yīng)的焓變 b.增大反應(yīng)的活化能

c.減小反應(yīng)的焓變 d.降低反應(yīng)的活化能

制備過程中，減慢水解反應(yīng)速率的措施還有________。

(3)步驟②中制備二氧化鈦溶膠的化學(xué)方程式為________。下圖所示實驗裝置中，可用于灼燒二氧化鈦凝膠的是________(填標(biāo)號)。

(4)測定樣品中TiO2純度的方法是：精確稱取0.2000 g樣品放入錐形瓶中，加入硫酸和硫酸銨的混合溶液，加強熱使其溶解。冷卻后，加入一定量稀鹽酸得到含TiO2+的溶液。加入金屬鋁，將TiO2+全部轉(zhuǎn)化為Ti3+。待過量的金屬鋁完全溶解并冷卻后，加入指示劑，用0.1000 mol·L-lNH4Fe(SO4)2溶液滴定至終點。重復(fù)操作2次，消耗0.1000 mol·L-1 NH4Fe(SO4)2溶液的平均值為20.00 mL(已知：Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋)。

①加入金屬鋁的作用除了還原TiO2＋外，另一個作用是________________。

②滴定時所用的指示劑為____________(填標(biāo)號)

a.酚酞溶液 b. KSCN溶液 c. KMnO4溶液 d.淀粉溶液

③樣品中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為________%。

Answer 1

【答案】溫度計 冷凝回流 b 用含水20%的乙醇溶液代替水、緩慢滴液 Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH a 與酸反應(yīng)生成氫氣，形成氫氣氛圍，防止Ti3+在空氣中被氧化 b 80

【解析】

(1)根據(jù)水、無水乙醇和乙酰丙酮容易揮發(fā)分析解答；

(2)反應(yīng)的焓變只與初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)；增大反應(yīng)的活化能，反應(yīng)速率減慢；降低反應(yīng)的活化能，反應(yīng)速率加快，據(jù)此分析判斷；根據(jù)實驗步驟②的提示分析判斷；

(3) Ti(OH)4不穩(wěn)定，易脫水生成TiO2，鈦酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解生成二氧化鈦溶膠，據(jù)此書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式；灼燒固體需要在坩堝中進行；

(4)根據(jù)Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋，說明Ti3+容易被氧化；并據(jù)此分析判斷可以選用的指示劑，結(jié)合消耗的NH4Fe(SO4)2的物質(zhì)的量計算樣品中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(1)根據(jù)裝置圖，儀器a為溫度計，實驗過程中為了防止水、無水乙醇和乙酰丙酮揮發(fā)，可以使用冷凝管冷凝回流，提高原料的利用率，故答案為：溫度計；冷凝回流；

(2) a.反應(yīng)的焓變只與初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)，加入的乙酰丙酮，改變是反應(yīng)的條件，不能改變反應(yīng)的焓變，故a錯誤；b. 增大反應(yīng)的活化能，活化分子數(shù)減少，反應(yīng)速率減慢，故b正確；c. 反應(yīng)的焓變只與初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)，加入的乙酰丙酮，改變是反應(yīng)的條件，不能改變反應(yīng)的焓變，故c錯誤；d.降低反應(yīng)的活化能，活化分子數(shù)增多，反應(yīng)速率加快，故d錯誤；故選b；根據(jù)實驗步驟②的提示，制備過程中，用含水20%的乙醇溶液代替水、緩慢滴液，減慢鈦酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解的反應(yīng)速率，故答案為：b；用含水20%的乙醇溶液代替水、緩慢滴液；

(3) Ti(OH)4不穩(wěn)定，易脫水生成TiO2，步驟②中鈦酸四丁酯[Ti(OC4H9)4]水解生成二氧化鈦溶膠，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH；灼燒二氧化鈦凝膠需要在坩堝中進行，故選擇的裝置為a，故答案為：Ti(OC4H9)4+2H2O= TiO2+4 C4H9OH；a；

(4)①根據(jù)Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋，說明Ti3+容易被氧化，鋁與酸反應(yīng)生成氫氣，在液面上方形成氫氣氛圍，防止Ti3+在空氣中被氧化，故答案為：與酸反應(yīng)生成氫氣，形成氫氣氛圍，防止Ti3+在空氣中被氧化；

②酚酞溶液、淀粉溶液與NH4Fe(SO4)2溶液，現(xiàn)象不明顯；KMnO4溶液也能氧化Ti3+，影響滴定結(jié)果，KMnO4不與Fe3+反應(yīng)；根據(jù)滴定反應(yīng)Ti3+ ＋Fe3+＋H2O=TiO2+ ＋Fe2+ ＋2H＋可知，可以選用KSCN溶液作指示劑，當(dāng)?shù)稳胱詈笠坏?/span>NH4Fe(SO4)2溶液，容易變成血紅色，且半分鐘不褪色，說明到達了滴定終點，故答案為：b；

③消耗的NH4Fe(SO4)2的物質(zhì)的量=0.02L×0.1000 mol·L-1=0.002mol，則根據(jù)鈦原子守恒，n(TiO2)=n(Ti3+)=n（Fe3+）=0.002mol，樣品中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=×100%=80%，故答案為：80。