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微专题17 金属及其化合物制备流程（Ti）
钛：元素符号Ti，原子序数22，原子量47.90，外围电子排布3d2s2，位于第四周期ⅣB
族，主要化合价+2、+3、+4。
一、物理性质：
银白色有光泽金属，有良好的延展性，密度4.54克/厘米3，熔点1660±10℃，沸点
3287℃。
二、化学性质：
表面易形成致密氧化物保护层，使化学性质变得不活动。加热时，在空气中燃烧生成
TiO。室温时不与水、稀盐酸、稀硫酸和硝酸反应。但能被氢氟酸，熔融碱侵蚀。也能跟
2
热浓盐酸和王水反应。有良好的抗腐蚀性能。
三、用途：
钛和钛的合金广泛用于制造飞机、火箭、卫星、宇宙飞船、舰艇、汽轮机、化工设备、
电讯器材、人造骨骼等。1791年英国人格列高尔发现钛。在地壳中丰度0.42％，主要矿
物有金红石TiO，钛铁矿FeTiO 等。用镁、钠还原四氯化钛制得。
3
*最后附钛的化合物
四、工业制备：
1．海绵钛冶炼工艺
用镁还原四氯化钛（TiCl ）制取金属钛的过程，是金属钛生产的主要方法之一。还原作
4
业在高温、惰性气体保护气氛中进行，还原产物主要采用真空蒸馏法分离出剩余的金属
镁和MgCl ，获得海绵状金属钛。其工艺特征是在镁热还原TiCl 结束后，便将热态还原
2 4
产物在高温下直接转入真空蒸馏分离金属镁和MgCl ，这是镁热还原法工业化以来的重大
2
技术进步。工艺流程如下：2．钠（Na）还原法
又称亨特（ Hunter ）法 ，是最早研究用来制取金属钛的方法，其流程图如下所示：钠还原法的四氯化钛（TiCl ）生产过程与镁热还原法完全相同。在惰性气氛保护下，用
4
Na还原TiCl 生产海绵钛，它的主要反应为：
4
TiCl ＋ 2Na ＝ TiCl ＋ 2NaCl （1）
4 2
TiCl ＋ 2Na ＝ Ti ＋ 2NaCl （2）
2
TiCl ＋ 4Na ＝ Ti ＋ 4NaCl （3）
4
将制得的还原产物，用水洗除盐操作，最后进行产品后处理即得产品海绵钛。
按照还原过程进行的方式，钠法工艺可分为一段法和两段法。反应过程如果按照式（3）
一次完成还原反应制取海绵钛的工艺称为一段法。反应过程如果第一步按式（1）制取
TiCl ，然后第二步按式（2）继续将TiCl 还原为海绵钛的工艺称为二段式。目前，两种
2 2
方法在工业生产中均得到应用。【专题精练】
1．(2016届甘肃省武威高三一轮复习)某化工厂将钛、氯碱工业和甲醇制备联合生产，大
大提高原料利用率，并减少环境污染。流程如下：
回答下列问题：
（1）写出以石墨为电极电解饱和食盐水的化学方程式___________________。
（2）写出钛铁矿在高温下与焦炭经氯化得四氯化钛的化学方程式__________________，
生成1mol四氯化钛时转移电子的物质的量为________mol。
（3）利用四氯化钛制备TiO.xH O时，需加入大量的水并加热的目的是____________。
2 2
（4）钛广泛用于航天领域。氩气在冶炼钛的流程中的作用是______________________。
（5）利用CO和H 制备甲醇。
2
①已知H(g)、CO(g)和CHOH(l)的燃烧热△H分别为-285.8kJ/mol、-283.0kJ/mol
2 3
和-726.5kJ/mol。写出CO和H 制备甲醇的热化学方程式___________________________。
2
②假设联合生产中各原料利用率为100%，若得到6mol甲醇，则只需再补充标准状况下
的H________L。
2
【答案】（1）2Cl-+2H O 2OH-+H ↑+Cl↑ （2） 2FeTiO+7 Cl +6C
2 2 2 3 2
2FeCl +2TiCl +6CO 7 （3）促进TiCl 的水解 （4） 保护气，防止Mg、Ti被氧化
3 4 4
（5） ①CO(g) +2H (g) CHOH(l) △H=－128.1kJ/mol ② 112
2 3【解析】
（1）以石墨为电极电解饱和食盐水生成氯气、氢气和氢氧化钠，离子方程式为2Cl-＋
2HO 2OH-＋H↑＋Cl↑；
2 2 2
（2）钛铁矿在高温下与焦炭经氯化得四氯化钛，根据元素守恒及流程图可知，同时有氯
化铁、CO生成，化学方程式为2FeTiO+7Cl+6C 2FeCl +2TiCl +6CO；根据反应可
3 2 3 4
知，生成1mol四氯化钛时转移电子的物质的量为7mol；
（3）利用四氯化钛制备TiO.xH O时，是利用钛离子的水解，所以需加入大量的水并加
2 2
热的目的是促进TiCl 的水解；
4
（4）利用氯化钛和Mg的置换反应生成Ti，Mg、Ti都具有还原性，易被空气中的氧气氧
化，所以氩气在冶炼钛的流程中的作用是保护气，防止Mg、Ti被氧化；
（5）①CO和H 制备甲醇的化学方程式是CO(g) +2H (g) CHOH(l)，则该反应的反应
2 2 3
热为CO的燃烧热+氢气燃烧热的2倍减去甲醇的燃烧热，所以△H=（-283.0kJ/mol）+2×
（-285.8kJ/mol）-（-726.5kJ/mol）=－128.1kJ/mol，则CO和H 制备甲醇的热化学方程式
2
为CO(g) +2H (g) CHOH(l) △H=－128.1kJ/mol；
2 3
②生成6mol甲醇则需要6molCO，产生6mol的CO，则需要7mol氯气，而电解食盐水中
产生氢气与氯气的物质的量相同，所以会产生7mol氢气，而CO(g) +2H (g) CHOH(l)
2 3
中产生6mol甲醇需要12mol氢气，所以再补充12mol-7mol=5mol氢气，标准状况下的体
积是5mol×22.4L/mol=112L。
2．(2019年秋高三化学复习)钛广泛应用于航天、军事、化工、医疗等领域。钛在高温下易和氧、氮、碳等元素化合，提炼纯钛条件苛刻。从高钛渣 主要为 提炼海绵钛流
程如下：
氯化后的粗 中含有 、 、 、 等杂质，相关物质的沸点如下
表：
化合物
沸点 136 310 180 138
回答下列问题：
(1)高钛渣经过破碎、磁选、磨粉后送氯化车间，磨粉的目的是________。
(2) “分馏”得到的低沸点物是________。分馏难以除去 ，原因是________。加入
铝粉使 转化为 便于除去，写出铝粉与 反应的化学方程式：
________。
(3) “除铝”的方法是用水湿润的活性炭加入到粗 ，使 转化为________而除去。
(4) “还原”需要在Ar的气氛中进行，原因是________。副产物经电解生成________可循
环使用。
(5)制备钛的一种新型方法是：将 粉末浇注成形，烧结后作阴极，以石墨为阳极，
为熔盐进行电解 熔盐不参与电极反应，起溶解和传导 的作用 。阳极生成的气体除 外，还有________ 填化学式 。
阴极的电极反应式为________。
【答案】(1)增大接触面积，加快反应速率 (2) 或四氯化硅 与
的沸点接近 或沸点相差不大、很小
(3) 或AlOCl (4) 防止镁、钛在高温下与空气中的氧气、氮气等发生反应
Mg、 (5) 、
【解析】
(1)高钛渣经过磨粉可以增大接触面积，加快反应速率。
故答案为：增大接触面积，加快反应速率。
(2)根据表格中的数据可知，四氯化硅的沸点最低，故“分馏”得到的低沸点物是 ；
分馏难以除去 ，原因是 与 的沸点接近；铝粉与 反应的化学
方程式为 。
故答案为： 或四氯化硅 ； 与 的沸点接近 或沸点相差不大、很小 ；
。
(3)除去氯化铝，可通过使铝离子形成氢氧化铝沉淀而实现。
故答案为： 或AlOCl。
(4)高温条件下，镁、钛性质不稳定，为了防止镁、钛在高温下与空气中的氧气、氮气等发生反应，“还原”需要在Ar的气氛中进行；还原后的副产物是氯化镁，经过电解后可
产生镁和氯气，可循环使用。
故答案为：防止镁、钛在高温下与空气中的氧气、氮气等发生反应；Mg、 。
(5)由于电解是在高温状态下进行的，石墨电极会和氧气发生反应，故阳极生成的气体除
外，还有CO、 生成。
故答案为：CO、 。
高温熔盐条件下，阴极是二氧化钛得电子生成钛和氧离子，电极反应式为
。
故答案为： 。
3．(2020届高三化学二轮大题必练)二氧化钛是制取航天航空工业钛合金的重要原料．用
钛铁矿 主要成分是钛酸亚铁 ，含少量 、MgO、 等杂质 作原料生
产金属钛和绿矾 等产品的一种工艺流程如下：已知：Ti有两种价态，在
水溶液中主要以 无色 、 紫色 形式存在．
请回答下列问题：(1)硫酸与 反应生成 的化学方程式是______．
(2)滤液1中加入适量铁粉，至刚好出现紫色为止，此时溶液仍呈强酸性．
已知：氧化性： 则加入铁粉的作用是______．
(3)滤液2中加入适量的试剂A，可选用______ 填编号 ．
稀 通入 鼓入空气
(4)已知 ，101kPa时，由二氧化钛制取四氯化钛所涉及的反应有：
，
，
反应 ______．
(5)用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融 作电解质，利用如图所示装置获得金属
钙，并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛．写出阴极区反应的电极总反应式是
______．(6)假如 中的铁元素占矿物中铁元素总量的 ；某次生产中，向滤液1中加入纯
铁粉为b kg，得到绿矾晶体的质量为cKg，整个过程中铁元素的总利用率为 ，Ti元
素的转化率为 ，其他损失忽略不计．按上述流程，得到 ______ 用数字和字
母表示 已知：
【答案】(1) ； (2) 使 完全还原为
；同时避免过量的铁将 还原成 ，影响产品的纯度； (3) ； (4)
； (5) ； (6)
【解析】
钛铁矿 主要成分 ，含 、 等杂质 加入硫酸加热反应得到固体熔块，
加入水水浸，得到浸取液中加入铁屑将Fe3+还原为Fe2+，过滤得到X晶体为绿矾
晶体和滤液 ，加入水反应生成 ，高温煅烧得到二氧化
钛。
(1)钛铁矿主要成分 与硫酸反应的主要产物是 和 ，结合原子守恒
配平书写化学方程式为： 。答案为：
；(2)加入铁屑至浸出液显紫色，说明浸出液中含有 ，加入铁屑作还原剂，将 还原
为 ，防止 被 氧化成 。答案为：使 完全还原为 ；同时避免
过量的铁将 还原成 ，影响产品的纯度；
(3)富含 溶液，加入 粉末与 反应，降低了溶液中 ，使平衡
向生成 的方向移动，可得到
粗产品。答案为：b；
(4)由 得：
。答案为：
；
(5)电解时，阴极发生还原反应生成Ti，电极方程式为 。答案为：
；
(6)由 中铁与钛的关系的钛的含量为： 。
设铁元素总质量为xkg．
中铁的质量为： ．
又设得到 质量为ykg
kg
故答案为： 10-3。
4．(2018届绵阳高三一诊)钛及其合金具有密度小，强度高，耐腐蚀等优良性能，被广泛
用于航天、航空、航海、石油化工、医药等部门，因此，钛被誉为第三金属和战略金属。
从钛铁矿提取金属钛(海绵钛)的主要工艺过程如下：
(1)钛铁矿的主要成分是FeTiO，第一步发生的反应：FeTiO+C TiO+Fe+CO↑，在
3 3 2
FeTiO(钛酸亚铁)中，钛的化合价为________。
3
(2)第二步：二氧化钛在高温下与焦炭、氯气反应生成四氯化钛和一氧化碳，写出化学方
程式：___________，还原产物是____________。
(3)用镁在高温下还原四氯化钛，该反应的环境要求是__________；写出化学方程式：___________。
(4)菱镁矿(主要成分是碳酸镁)煅烧后与焦炭混合在氯化器中高温下通入氯气生成氯化镁，
电解熔融氯化镁得到镁。
①写出菱镁矿煅烧及氯化制取氯化镁的化学方程式：______________；
②写出电解熔融氯化镁的电解方程式：____________________。
【答案】(1)＋4价 (2) TiO +2C+2Cl TiCl +2CO 四氯化钛 (3) 惰性气体保护或
2 2 4
隔绝空气 2Mg+TiCl 2MgCl +Ti (4) ① MgCO MgO+CO ↑，MgO+Cl +C
4 2 3 2 2
MgCl +CO ② MgCl (熔融) Mg+Cl ↑
2 2 2
【解析】
(1)在钛酸亚铁FeTiO 中，Fe化合价为+2价，O为-2价，根据化合物中元素化合价代数和
3
等于0，可知钛的化合价为+2+x=3×2=+6，所以x=+4价；
(2)二氧化钛在高温下与焦炭、氯气反应生成四氯化钛和一氧化碳，反应方程式为：
TiO+2C+2Cl TiCl +2CO，在该反应中，Cl元素化合价由反应前Cl 中的0价变为反
2 2 4 2
应后TiCl 中的-1价，化合价降低，获得电子，被还原，产生还原产物，所以还原产物是
4
TiCl ；
4
(3)镁是比较活泼的金属，容易失去电子被氧化，所以用镁在高温下还原四氯化钛，该反
应的环境要求是惰性气体保护或隔绝空气，反应的化学方程式为：2Mg+TiCl
4
2MgCl +Ti；
2
(4)①菱镁矿煅烧分解产生氧化镁和二氧化碳，反应方程式为：MgCO MgO+CO ↑；
3 2
氧化镁与氯气及碳单质在高温下反应产生氯化镁和一氧化碳，反应的化学方程式：
MgO+Cl +C MgCl +CO；
2 2②氯化镁是离子化合物，在高温下电解熔融氯化镁，反应产生镁和氯气，电解方程式为：
MgCl (熔融) Mg+Cl ↑。
2 2
【二氧化钛】俗称钛白或钛白粉。化学式TiO2。式量79.90。白色无定形粉末，加热时变
黄色，受高温变棕色，冷时再呈白色。不溶于水。化学性质相当稳定，不溶于盐酸、硝
酸和稀硫酸。溶于热浓硫酸、氢氟酸。是弱的两性氧化物，与硫酸氢钾熔融生成硫酸钛；
与氢氧化钠熔融生成钛酸钠。用作重要的白色颜料和瓷器釉药，还用于制金属钛、钛铁
合金、硬质合金。橡胶、造纸用作填料。电机工业用于制绝缘体、电瓷等。工业上用硫
酸分解钛铁矿，除铁后再经水解制得。
【钛白】见二氧化钛条。
【四氯化钛】化学式TiCl4，式量189.91。无色或淡黄色液体，易挥发，密度1.726克/厘
米3，熔点-25℃，沸点136.4℃。容易水解，在潮湿空气中发烟
TiCl4+3H2O=H2TiO3+4HCl↑
是制备金属钛的中间产物，在797℃时用熔融镁跟四氯化钛蒸气反应可得海绵状钛。还可
用作天然纤维和合成纤维的防水剂。将二氧化钛和碳粉混合加热至800℃左右，用氯处理，
可制得：
TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO2↑
