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．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）的工業流程如圖所示：

已知：FeTiO₃與鹽酸反應的離子方程式為：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O
（1）化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價是+2．
（2）濾渣A的成分是SiO₂．
（3）濾液B中TiOCl₄^2-轉化生成TiO₂的離子方程式是TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）反應②中固體TiO₂轉化成（NH₄）₂Ti₅O₁₅溶液時，Ti元素的浸出率與反應溫度的關系如圖所示．反應溫度過高時，Ti元素浸出率下降的原因是溫度過高時，反應物氨水（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的過程中，所需  17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比是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該電池充電時陽極反應式是LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

Answer 1

分析 鐵礦石加入鹽酸溶解過濾得到濾渣為二氧化硅，濾液B為MgCl₂、CaCl₂，FeCl₂、TiOCl₄^2-，加熱促進水解，過濾得到沉淀TiO₂，加入過氧化氫和氨水反應得到（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）根據反應FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O，不是氧化還原反應，可以判斷鐵元素化合價為+2價；
（2）MgO、CaO、SiO₂等雜質中，二氧化硅不溶于稀鹽酸，成為濾渣A；
（3）根據流程圖示，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應生成二氧化鈦沉淀；
（4）二氧化鈦與氨水、雙氧水反應生成NH₄）₂Ti₅O₁₅，溫度過高，雙氧水和氨水都容易分解；
（5）濾液D加入過氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀FePO₄；
（6）根據電子守恒找出雙氧水與草酸的關系式，然后列式計算計算出17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比；
（7）充電時按照電解槽進行分析，陽極氧化陰極還原，寫出陽極放電的電解方程式即可．

解答 解：（1）反應FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O中，不是氧化還原反應，可以判斷鐵元素化合價為+2價，
故答案為：+2；
（2）由于雜質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）根據流程可知，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應生成二氧化鈦沉淀，反應的離子方程式為：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、雙氧水反應生成NH₄）₂Ti₅O₁₅時，溫度過高，雙氧水和氨水都容易分解，所以反應溫度過高時，Ti元素浸出率下降，
故答案為：溫度過高時，反應物氨水（或雙氧水）受熱易分解；
（5）根據流程圖示可知，濾液D加入過氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀FePO₄，反應的離子方程式為：2H₃PO₄+H₂O₂+2Fe²⁺═2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，
故答案為：2H₃PO₄+H₂O₂+2Fe²⁺═2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺；
（6）根據電子守恒，氧化鐵元素轉移的電子就等于鐵離子氧化草酸轉移的電子數，
因此可得關系式：H₂O₂～H₂C₂O₄，設雙氧水質量為x，草酸質量為y，
               34    90
             x×17%   y
34y=90×x×17%，x：y=20：9，17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比為20：9，
故答案為：20：9；
（7）充電時，陽極發生氧化反應，LiFePO₄失去電子生成FePO₄，電極反應為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺，
故答案為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

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、化學計算等知識，涉及的內容較多，綜合性較強，充分考查了學生的綜合能力，本題難度中等．