Question

【題目】Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦（主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì)）來(lái)制備，工藝流程如下：

回答下列問(wèn)題：

（1）“酸浸”實(shí)驗(yàn)中，鐵的浸出率結(jié)果如上圖所示。由圖可知，當(dāng)鐵的浸出率為70%時(shí)，所采用的實(shí)驗(yàn)條件為_____________。

（2）“酸浸”后，鈦主要以形式存在，寫出相應(yīng)反應(yīng)的離子方程式________。

（3）TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應(yīng)40 min所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

分析40 ℃時(shí)TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率最高的原因________。

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，其中過(guò)氧鍵的數(shù)目為_______。

（5）若“濾液②”中，加入雙氧水和磷酸（設(shè)溶液體積增加1倍），使恰好沉淀完全即溶液中，此時(shí)是否有沉淀生成？ ________（列式計(jì)算）。的Ksp分別為

（6）寫出“高溫煅燒②”中由制備的化學(xué)方程式___________。

Answer 1

【答案】100℃、2h，90℃、5h FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O 低于40℃，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率隨溫度升高而增加,超過(guò)40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化速率下降 4 Fe3+恰好沉淀完全時(shí)，c(PO43-)=mol·L1=1.3×10–17 mol·L1，

c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01 mol·L1)3×(1.3×10–17 mol·L1)2 =1.69×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不會(huì)生成Mg3(PO4)2沉淀。 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑

【解析】

（1）觀察題（1）中的圖可以看出，浸出率為70%時(shí)有2個(gè)點(diǎn)滿足，一個(gè)點(diǎn)為100、2h，另一個(gè)點(diǎn)為90、5h；

（2）反應(yīng)物為FeTiO3，因?yàn)樗峤�，故反�?yīng)物應(yīng)有H+，因生成物為TiOCl42-，根據(jù)原子守恒和電荷守恒配平該氧化還原反應(yīng)；

（3）結(jié)合化學(xué)反應(yīng)速率、雙氧水和氨水受熱不穩(wěn)定的性質(zhì)綜合分析轉(zhuǎn)化率。

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，Li的化合價(jià)為+1，O的化合價(jià)為-2，過(guò)氧根（O22-）中氧元素顯-1價(jià)，過(guò)氧鍵存在于-1價(jià)的O中，每2個(gè)之間存在1個(gè)過(guò)氧鍵，設(shè)該分子內(nèi)過(guò)氧鍵的數(shù)目為x，根據(jù)化合物中各元素代數(shù)和為0分析作答；

（5）先根據(jù)Ksp[FePO4]計(jì)算出Fe3+恰好沉淀完全時(shí)，溶液中的PO43-的濃度，再結(jié)合Mg2+和PO43-的離子濃度商Qc[Mg3(PO4)2]與溶度積Ksp[Mg3(PO4)2]之間的大小關(guān)系，判斷是否有沉淀生成；

（6）根據(jù)流程圖知反應(yīng)物為FePO4、Li2CO3、H2C2O4，生成物為LiFePO4，根據(jù)各元素化合價(jià)情況結(jié)合原子守恒規(guī)律分析作答；

（1）由圖可知，鐵的浸出率在70%時(shí)，所采用的實(shí)驗(yàn)條件是：利用鹽酸在100下浸出2小時(shí)或利用鹽酸90下浸出5小時(shí)，

故答案為：100℃、2h，90℃、5h；

（2）反應(yīng)物為FeTiO3，因?yàn)樗峤�，故反�?yīng)物應(yīng)有H+，因生成物為TiOCl42-，因此反應(yīng)物中還應(yīng)有Cl-，然后根據(jù)原子守恒和電荷守恒配平，得到離子方程式為FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O,

答案為：FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O；

（3）一方面，溫度低于40時(shí)，隨溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，另一方面，溫度高于40時(shí)，氨水揮發(fā)速率加快、雙氧水分解速度加快，導(dǎo)致反應(yīng)物濃度減小，結(jié)果轉(zhuǎn)化率降低，

故答案為：低于40℃，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率隨溫度升高而增加,超過(guò)40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化速率下降；

（4）Li/span>2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，Li的化合價(jià)為+1，O的化合價(jià)位-2價(jià)，過(guò)氧根（O22-）中氧元素顯-1價(jià)，設(shè)過(guò)氧鍵的數(shù)目為x，根據(jù)正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為0，可得（+1）2+（+4）5+（-2）（15-2x）+（-1）2x = 0，解得x = 4，

故答案為：4；

（5）由Ksp[FePO4] = c(Fe3+)·c(PO43-)得，Fe3+恰好沉淀完全時(shí)，溶液中的PO43-的濃度c(PO43-) = mol/L= 1.310-17 mol/L，則Mg2+和PO43-離子濃度商Qc[Mg3(PO4)2] = c3(Mg2+)·c2(PO43-) = (0.01 mol/L)3(1.310-17)2 = 1.6910-40Ksp[Mg3(PO4)2]，故不會(huì)生成Mg3(PO4)2沉淀，

答案為：Fe3+恰好沉淀完全時(shí)，c(PO43-)=mol·L1=1.3×10–17 mol·L1，

c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01 mol·L1)3×(1.3×10–17 mol·L1)2 =1.69×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不會(huì)生成Mg3(PO4)2沉淀。

（6）根據(jù)流程圖知反應(yīng)物為FePO4、Li2CO3、H2C2O4，生成物為LiFePO4，各元素化合價(jià)情況為為，，，故Fe化合價(jià)降低，C化合價(jià)升高，可知產(chǎn)物之一為CO2，反應(yīng)物有H原子，故產(chǎn)物有H2O，方程式為：2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑，

故答案為：2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。