Question

20．鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃（可表示為FeO•TiO₂），含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質(zhì)．利用鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料（鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂和磷酸亞鐵鋰LiFePO₄）的工業(yè)流程如圖所示：

已知：FeTiO₃與鹽酸反應(yīng)的離子方程式為：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O
（1）化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價(jià)是+2．
（2）濾渣A的成分是SiO₂．
（3）濾液B中TiOCl₄^2-轉(zhuǎn)化生成TiO₂的離子方程式是TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）反應(yīng)②中固體TiO₂轉(zhuǎn)化成（NH₄）₂Ti₅O₁₅溶液時(shí)，Ti元素的浸出率與反應(yīng)溫度的關(guān)系如圖所示．反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，Ti元素浸出率下降的原因是溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)物氨水（或雙氧水）受熱易分解．

（5）（5）寫出由濾液D生成FePO₄的離子方程式2H₃PO₄+H₂O₂+2Fe²⁺═2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺．
（6）由濾液D制備LiFePO₄的過(guò)程中，所需  17%雙氧水與H₂C₂O₄的質(zhì)量比是20：9．
（7）若采用鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）和磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）作電極組成電池，其工作原理為：Li₄Ti₅O₁₂+3LiFePO₄?$\underset{{\;}_{L{i}_{7}T{i}_{5}{O}_{12}}^{\;\;\;\;\;\;充電}}{放電}$+3FePO₄該電池充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)式是LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

Answer 1

分析 鐵礦石加入鹽酸溶解過(guò)濾得到濾渣為二氧化硅，濾液B為MgCl₂、CaCl₂，F(xiàn)eCl₂、TiOCl₄^2-，加熱促進(jìn)水解，過(guò)濾得到沉淀TiO₂，加入過(guò)氧化氫和氨水反應(yīng)得到（NH₄）₂Ti₅O₁₅，加入氫氧化鋰溶液得到沉淀Li₂Ti₅O₁₅，加入碳酸鋰煅燒得到鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂，濾液D加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀磷酸鐵，加入碳酸鋰和草酸煅燒得到磷酸亞鐵鋰LiFePO₄．
（1）根據(jù)反應(yīng)FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O，不是氧化還原反應(yīng)，可以判斷鐵元素化合價(jià)為+2價(jià)；
（2）MgO、CaO、SiO₂等雜質(zhì)中，二氧化硅不溶于稀鹽酸，成為濾渣A；
（3）根據(jù)流程圖示，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應(yīng)生成二氧化鈦沉淀；
（4）二氧化鈦與氨水、雙氧水反應(yīng)生成NH₄）₂Ti₅O₁₅，溫度過(guò)高，雙氧水和氨水都容易分解；
（5）濾液D加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀FePO₄；
（6）根據(jù)電子守恒找出雙氧水與草酸的關(guān)系式，然后列式計(jì)算計(jì)算出17%雙氧水與H₂C₂O₄的質(zhì)量比；
（7）充電時(shí)按照電解槽進(jìn)行分析，陽(yáng)極氧化陰極還原，寫出陽(yáng)極放電的電解方程式即可．

解答 解：（1）反應(yīng)FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O中，不是氧化還原反應(yīng)，可以判斷鐵元素化合價(jià)為+2價(jià)，
故答案為：+2；
（2）由于雜質(zhì)中二氧化硅不溶于鹽酸，所以濾渣A成分是二氧化硅，
故答案為：SiO₂；
（3）根據(jù)流程可知，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應(yīng)生成二氧化鈦沉淀，反應(yīng)的離子方程式為：TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案為：TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（4）由于二氧化鈦與氨水、雙氧水反應(yīng)生成NH₄）₂Ti₅O₁₅時(shí)，溫度過(guò)高，雙氧水和氨水都容易分解，所以反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，Ti元素浸出率下降，
故答案為：溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)物氨水（或雙氧水）受熱易分解；
（5）根據(jù)流程圖示可知，濾液D加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀FePO₄，反應(yīng)的離子方程式為：2H₃PO₄+H₂O₂+2Fe²⁺═2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，
故答案為：2H₃PO₄+H₂O₂+2Fe²⁺═2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺；
（6）根據(jù)電子守恒，氧化鐵元素轉(zhuǎn)移的電子就等于鐵離子氧化草酸轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，
因此可得關(guān)系式：H₂O₂～H₂C₂O₄，設(shè)雙氧水質(zhì)量為x，草酸質(zhì)量為y，
               34    90
             x×17%   y
34y=90×x×17%，x：y=20：9，17%雙氧水與H₂C₂O₄的質(zhì)量比為20：9，
故答案為：20：9；
（7）充電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，LiFePO₄失去電子生成FePO₄，電極反應(yīng)為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺，
故答案為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題借助利用鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料流程，為高頻考點(diǎn)和高考常見(jiàn)題型，考查了離子方程式書寫、電極方程式書寫、化學(xué)計(jì)算等知識(shí)，涉及的內(nèi)容較多，綜合性較強(qiáng)，充分考查了學(xué)生的綜合能力，本題難度中等．