Question

6．磷酸鐵（FePO₄）為難溶于水的米白色固體，可用于制備藥物、食品添加劑和鋰離子電池的正極材料．實驗室利用鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質）制備磷酸鐵和鋰離子電池正極材料（LiFePO₄）的部分工業(yè)流程如圖所示：

（1）富鈦渣中的主要成分為TiO₂和SiO₂（填化學式）．煅燒得到LiFePO₄的化學方程式為2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O．
（2）在共沉淀步驟中加入H₂O₂的目的是讓濾液中的Fe²⁺完全被H₂O₂氧化．
①反應的離子方程式為2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
②下列實驗條件控制正確的是AB（填序號）．
A．加入適當過量的H₂O₂溶液             B．緩慢滴加H₂O₂溶液并攪拌
C．加熱，使反應在較高溫度下進行        D．用氨水調節(jié)pH=7
（3）已知Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺離子形成磷酸鹽的Ksp分別為2.0×10^-29、1.0×10^-24和9.9×10^-16，若溶液中三種金屬陽離子的濃度均為0.1mol•L^-1，則加入H₃PO₄時首先生成沉淀的化學式為FePO₄．
（4）制備LiFePO₄的過程中，理論上所需  17%雙氧水與H₂C₂O₄•2H₂O的質量比為100：63．
（5）鈦鐵礦中鈦含量的測定步驟為：
①還原．將含鈦試樣溶解于強酸溶液中，再加入鋁片將TiO²⁺還原為Ti³⁺，并將Fe³⁺還原．反應裝置如圖所示，使用封閉漏斗的目的是避免生成的Ti³⁺被空氣氧化．
②滴定．取下封閉漏斗，向錐形瓶中加入2～3滴KSCN溶液，立即用FeCl₃ 標準溶液滴定至終點，記錄讀數．
③計算．下列操作會導致測定結果偏低的是bc．
a．還原操作結束后鋁片有剩余
b．還原操作結束后，反應液仍呈黃色
c．緩慢滴定，且劇烈振蕩錐形瓶，但無溶液濺出．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質）用鹽酸溶解后可以得到含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺的溶液和含有TiO₂、SiO₂的固體，過濾后在濾液中加入雙氧水和磷酸，可得到FePO₄固體，將FePO₄、Li₂CO₃、H₂C₂O₄•2H₂O煅燒可得到LiFePO₄，
（1）根據流程分析，SiO₂是不溶于酸的，根據元素守恒可寫出煅燒得到LiFePO₄的化學方程式；
（2）①Fe²⁺與H₂O₂在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應生成Fe³⁺和水；
②由于雙氧水易受熱分解，所以雙氧水要適當過量，且加入的速度要慢，以防止反應過快，溫度升高，Fe²⁺與H₂O₂在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應；
（3）物質的Ksp越小，越容易形成沉淀；
（4）根據電子得失守恒可知H₂O₂～2Fe³⁺，根據煅燒中的反應方程式可知2FePO₄～H₂C₂O₄•2H₂O，所以H₂O₂～H₂C₂O₄•2H₂O，據此進行計算；
（5）①Ti³⁺易被空氣氧化；
③a．還原操作結束后鋁片有剩余，會多消耗FeCl₃ 標準溶液，
b．還原操作結束后，反應液仍呈黃色，說明FeCl₃ 標準溶液不足；
c．緩慢滴定，且劇烈振蕩錐形瓶，但無溶液濺出，溶液中部分Ti³⁺會被空氣中的氧氣氧化，會導致FeCl₃ 標準溶液消耗量偏少．

解答 解：鈦鐵礦（主要成分為FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質）用鹽酸溶解后可以得到含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺的溶液和含有TiO₂、SiO₂的固體，過濾后在濾液中加入雙氧水和磷酸，可得到FePO₄固體，將FePO₄、Li₂CO₃、H₂C₂O₄•2H₂O煅燒可得到LiFePO₄，
（1）根據流程分析，SiO₂是不溶于酸的，所以富鈦渣中的主要成分是TiO₂和SiO₂，根據元素守恒可知煅燒得到LiFePO₄的化學方程式為2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O，
故答案為：SiO₂；2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O；
（2）①Fe²⁺與H₂O₂在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應生成Fe³⁺和水，反應的離子方程式為2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
②由于雙氧水易受熱分解，所以雙氧水要適當過量，且加入的速度要慢，以防止反應過快，溫度升高，Fe²⁺與H₂O₂在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應，
故選AB；
（3）物質的Ksp越小，越容易形成沉淀，FePO₄的Ksp為2.0×10^-29是最小，所以Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺三種金屬陽離子的濃度均為0.1mol•L^-1時，加入H₃PO₄首先生成沉淀的化學式為FePO₄，
故答案為：FePO₄；
（4）根據電子得失守恒可知H₂O₂～2Fe³⁺，根據煅燒中的反應方程式可知2FePO₄～H₂C₂O₄•2H₂O，所以H₂O₂～H₂C₂O₄•2H₂O，即H₂O₂和H₂C₂O₄•2H₂O的物質的量之比為1：1，所以17%雙氧水與H₂C₂O₄•2H₂O的質量比為$\frac{34}{17%}：（100+36）$=200：136=100：63，
故答案為：100：63；
（5）①Ti³⁺易被空氣氧化，所以使用封閉漏斗的目的是避免生成的Ti³⁺被空氣氧化，
故答案為：避免生成的Ti³⁺被空氣氧化；
③a．還原操作結束后鋁片有剩余，會多消耗FeCl₃ 標準溶液，會導致測定結果偏高；
b．還原操作結束后，反應液仍呈黃色，說明FeCl₃ 標準溶液不足，會導致測定結果偏低；
c．緩慢滴定，且劇烈振蕩錐形瓶，但無溶液濺出，溶液中部分Ti³⁺會被空氣中的氧氣氧化，會導致FeCl₃ 標準溶液消耗量偏少，會導致測定結果偏低；
所以操作會導致測定結果偏低的是bc，
故選bc．

點評 本題以鐵及其化合物為載體考查了物質的制備，涉及氧化還原反應、實驗操作、反應速率的影響因素等知識點，根據物質之間的關系式、實驗操作的規(guī)范性、影響反應速率的因素等知識點來分析解答，題目難度中等．