Question

2．鋰離子電池的應(yīng)用很廣，一種利用鈦鐵礦[主要成分為偏鈦酸亞鐵（FeTiO₃），含有少量Fe₂O₃]制取鈦白粉（TiO₂）和利用其副產(chǎn)物制取鋰離子電池的正極材料（LiFePO₄）的工藝流程如圖（部分條件未給出）．

（1）FeTiO₃中Ti的化合價為+4；在“還原”步驟中，還原“Fe³⁺”的反應(yīng)中氧化劑和還原劑之比為2：1．
（2）FeSO₄溶解度與溫度關(guān)系如表，

溫度（℃）	30	20	l5	l0	5	0	-2	-6
FeSO4（g/L）	240	190	130	117	95	79	59	38

則操作I 的名稱為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾．
（3）“轉(zhuǎn)化”步驟中對溶液進行加熱的主要目的是加快和促進水解．
（4）寫出“沉鐵”的離子反應(yīng)方程式2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，為使Fe³⁺完全沉降，則PO₄^3-的濃度至少應(yīng)為9.91×10^-11mol/L（己知：ksp （FePO₄•2H₂O）=9.91×10^-16）．
（5）流程中可循環(huán)利用的物質(zhì)是（H₂O除外）H₂SO₄，寫出固相焙燒的反應(yīng)方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（6）某鋰離子充放電時，正極發(fā)生LiFePO₄與FePO₄的轉(zhuǎn)化，當(dāng)充電時，電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為6C+xLi⁺+xe^-=Li_xC6，寫出放電時電池反應(yīng)方程式xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄．

Answer 1

分析 鈦鐵礦[主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO）₃，含有少量Fe₂O₃]加硫酸溶解生成TiO²⁺和Fe³⁺、Fe²⁺，加入鐵還原鐵離子：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，得到硫酸亞鐵和TiOSO₄，對溶液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，過濾得到綠礬晶體和TiOSO₄溶液，
將TiOSO₄溶液加熱，促進TiO²⁺的水解生成TiO（OH）₂，TiO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂+2H⁺，分解得到鈦白粉（TiO₂）；
將綠礬與過氧化氫、H₃PO₄混合沉鐵：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，生成的硫酸可以循環(huán)利用，將得到的FePO₄與過量C、Li₂CO₃焙燒生成鋰離子電池的正極材料LiFePO₄：2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，據(jù)此分析解答．

解答 解：（1）FeTiO₃中鐵元素+2價，氧元素-2價，化合總價為0，則Ti元素+4價；還原“Fe³⁺”的反應(yīng)為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，氧化劑和還原劑之比為2：1；
故答案為：+4；2：1；
（2）由表可知FeSO₄溶解度隨溫度的升高而升高，操作I將FeSO₄結(jié)晶為綠礬，采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾可得；
故答案為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；
（3）轉(zhuǎn)化為將TiOSO₄溶液水解生成TiO（OH）₂，對溶液進行加熱可加快促進該水解；
故答案為：加快和促進水解；
（4）“沉鐵”的為綠礬與過氧化氫、H₃PO₄混合生成FePO₄，離子方程式為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，己知：ksp （FePO₄•2H₂O）=9.91×10^-16），為使Fe³⁺完全沉降，則c（Fe³⁺）c（PO₄^3-）≥ksp （FePO₄•2H₂O），c（PO₄^3-）≥$\frac{9.91×1{0}^{-16}}{1×1{0}^{-5}}$mol/L=9.91×10^-11mol/L；
故答案為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺；9.91×10^-11mol/L；
（5）“沉鐵”生成硫酸，可循環(huán)利用；FePO₄與過量C、Li₂CO₃焙燒生成鋰離子電池的正極材料LiFePO₄，鐵元素化合價降低，碳元素化合價升高，C過量則生成CO，反應(yīng)為：2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
故答案為：H₂SO₄；2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（6）充放電過程中，正極發(fā)生LiFePO₄與FePO₄的轉(zhuǎn)化，其中LiFePO₄→FePO₄的轉(zhuǎn)化化合價降低，發(fā)生還原反應(yīng)，而電池放電時負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為：6C+xLi⁺+xe^-=Li_xC6，該反應(yīng)為氧化反應(yīng)，所以反應(yīng)轉(zhuǎn)化應(yīng)該為：LiFePO₄→xLiFePO₄，所以電池放電時反應(yīng)的化學(xué)方程式為：xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄；
故答案為：xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄．

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