Question

9．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LiTi₅0₁₂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
（I）化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價(jià)是+2．
（2）濾渣A的成分是SiO₂．濾渣A的熔點(diǎn)大于干冰的原因是SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點(diǎn)高于分子晶體．
（3）濾液B中TiOCI₄^2-轉(zhuǎn)化生成Ti0₂的離子方程式是TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）由濾液D制備LiFeP0₄的過(guò)程中，所需17%雙氧水與H₂C₂0₄的質(zhì)量比是20：9．
（5）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$?_{放電}^{充電}$LiTi₅0₁₂+3FePO₄．該電池充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

Answer 1

分析 鐵礦石加入鹽酸溶解過(guò)濾得到濾渣A為二氧化硅，濾液B中含有MgCl₂、CaCl₂、FeCl₂、TiCl₂等，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)氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，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，不是非氧化還原反應(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；根據(jù)干冰、二氧化硅的晶體歸屬解釋熔沸點(diǎn)差異很大的原因，SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點(diǎn)高于分子晶體；
（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）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；
（5）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）非氧化還原反應(yīng)沒(méi)有化合價(jià)的變化，反應(yīng)FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O中，不是非氧化還原反應(yīng)，由Fe²⁺可以判斷化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價(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，干冰屬于分子晶體，二氧化硅屬于原子晶體，原子晶體中原子以共價(jià)鍵結(jié)合，分子晶體中分子以分子間作用力相結(jié)合，干冰氣化需克服分子間作用力，而化學(xué)鍵沒(méi)有變化，二氧化硅熔化時(shí)需破壞碳碳共價(jià)鍵，所以原子晶體的熔沸點(diǎn)高于分子晶體；
故答案為：SiO₂；SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點(diǎn)高于分子晶體；
（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$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案為：TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（4）根據(jù)電子守恒，過(guò)氧化氫氧化鐵元素轉(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，則：
H₂O₂～H₂C₂O₄
34     90
x×17%  y
所以34y=90×x×17%，整理可得x：y=20：9，
17%雙氧水與H₂C₂O₄的質(zhì)量比為20：9，
故答案為：20：9；
（5）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) 本題以鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料工藝流程為載體，考查陌生方程式書寫、元素化合物性質(zhì)、對(duì)條件控制的分析評(píng)價(jià)、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．