Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎授予鋰離子電池的發(fā)明者，鋰離子電池是目前應(yīng)用廣泛的一類電池。以鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，含有少量MgO、Fe2O3、SiO2等雜質(zhì))為原料，制備鋰離子電池電極材料的工藝流程如圖所示：

已知：①濾液1中含Ti微粒的主要存在形式為TiO2+；

②)Ksp(FePO4)=1.3×10-22、Ksp[Mg3(PO4)2]=1.0×10-24；溶液中某離子濃度小于等于10-5mol·L-1時(shí)，認(rèn)為該離子沉淀完全。

請回答下列問題：

（1）濾渣1中主要成分的化學(xué)式為__。

（2）“結(jié)晶”溫度需控制在70℃左右，若溫度過高會導(dǎo)致的后果為__。

（3）“轉(zhuǎn)化I”后所得溶液中c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若其中Fe3+沉淀完全，則溶液中c(PO43-)的范圍為__。

（4）“煅燒I”反應(yīng)中氧化劑和還原劑的物質(zhì)的量之比為__。

（5）“轉(zhuǎn)化II”中H2TiO3的轉(zhuǎn)化率(α)與溫度(T)的關(guān)系如圖所示。T0℃時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)H2TiO3的轉(zhuǎn)化率最高的原因?yàn)?/span>__。

（6）Li2Ti5O15中-1價(jià)與-2價(jià)O原子的數(shù)目之比為___。“煅燒II”反應(yīng)中同時(shí)生成兩種參與大氣循環(huán)的氣體，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為__。

（7）某鋰離子電池放電時(shí)的電池反應(yīng)為Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，則充電時(shí)陽極的電極反應(yīng)式為__。

Answer 1

【答案】SiO2 TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產(chǎn)率，且使濾渣2中混有雜質(zhì) mol/L c(PO43-)<1.010-9mol/L 2：1 溫度低于T0℃時(shí)，反應(yīng)速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉(zhuǎn)化率升高，高于T0℃時(shí)后，雙氧水分解和氨氣的揮發(fā)導(dǎo)致反應(yīng)速率減小，使H2TiO3的轉(zhuǎn)化率降低 8:7 Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2 LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+

【解析】

鐵礦石加入硫酸溶解過濾得到濾渣為二氧化硅，濾液1為MgCl2、FeCl3、TiOSO4，加鐵粉與過量硫酸反應(yīng)并調(diào)pH，濾液中TiO2+水解得到H2TiO3，加入過氧化氫和氨水、氫氧化鋰溶液得到沉淀Li2Ti5O15，加入碳酸鋰煅燒得到鈦酸鋰Li4Ti5O12，濾渣2加入過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；據(jù)此分析解答。

（1）鈦鐵礦的成分中只有SiO2不溶于硫酸，濾渣1的成分為SiO2，故答案為：SiO2；

（2）“結(jié)晶”溫度需控制在70℃左右，如果溫度過高，TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產(chǎn)率，且使濾渣2中混有雜質(zhì)，故答案為：TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產(chǎn)率，且使濾渣2中混有雜質(zhì)；

（3）Fe3+剛好沉淀完全時(shí)，c(PO43-)==mol/L，要保證Fe3+沉淀完全，c(PO43-)應(yīng)該 mol/L；c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若剛好產(chǎn)生沉淀，c(PO43-)===1.010-9mol/L，而按題意分析應(yīng)不能使鎂離子沉淀，故c(PO43-)<1.010-9mol/L，故答案為： mol/L c(PO4span>3-)<1.010-9mol/L；

（4）“煅燒I”反應(yīng)中氧化劑為FePO4，反應(yīng)后被還原為LiFePO4，1mol氧化劑得到1mol電子；還原劑為H2C2O4，被氧化成CO2，1mol還原劑失去2mol電子，根據(jù)電子守恒，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量比值為：2：1，故答案為：2：1；

（5）“轉(zhuǎn)化II”中H2TiO3的轉(zhuǎn)化率(α)與溫度(T)的關(guān)系如圖所示，溫度低于T0℃時(shí)，反應(yīng)速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉(zhuǎn)化率升高，高于T0℃時(shí)后，雙氧水分解和氨氣的揮發(fā)導(dǎo)致反應(yīng)速率減小，使H2TiO3的轉(zhuǎn)化率降低，所以T0℃時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)H2TiO3的轉(zhuǎn)化率最高，故答案為：溫度低于T0℃時(shí)，反應(yīng)速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉(zhuǎn)化率升高，高于T0℃時(shí)后，雙氧水分解和氨氣的揮發(fā)導(dǎo)致反應(yīng)速率減小，使H2TiO3的轉(zhuǎn)化率降低；

（6）Li2Ti5O15中Li顯+1價(jià)，Ti顯+4價(jià)，根據(jù)代數(shù)和為零可算出15個(gè)O共顯-22價(jià)，設(shè)-1價(jià)O數(shù)目為x，-2價(jià)O數(shù)目為y，有x+y=15；-x-2y=-22，算出x=8，y=7，-1價(jià)與-2價(jià)O原子的數(shù)目之比為8:7；“煅燒II”反應(yīng)中同時(shí)生成的兩種參與大氣循環(huán)的氣體應(yīng)為O2和CO2,可寫出化學(xué)方程式為：Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；故答案為：8:7；Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；

（7）電池反應(yīng)為Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，LixC6為負(fù)極，Li1-xFePO4為正極，充電時(shí)陽極反應(yīng)應(yīng)該是LiFePO4變?yōu)?/span>Li1-xFePO4，電極反應(yīng)式為：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+，故答案為：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+。