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)）來制備，工藝流程如下：

回答下列問題：

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

（2）“酸浸”后，鈦主要以TiOCl42－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：

溫度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率%	92	95	97	93	88

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，其中過氧鍵的數(shù)目為__________________。

（5）若“濾液②”中c(Mg2+)=0.02 mol/L，加入雙氧水和磷酸（設(shè)溶液體積增加1倍），使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1×10-5 mol/L，此時(shí)是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？___________（列式計(jì)算）。

FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分別為1.3×10-22、1.0×10-24。

（6）寫出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4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40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)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)3×(1.3×10-17)2=1.7×10-40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不會(huì)生成Mg3(PO4)2沉淀。 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑

【解析】（1）由圖示可知，“酸浸”時(shí)鐵的凈出率為70%時(shí)所需要的時(shí)間最短，速率最快，則應(yīng)選擇在100℃、2h，90℃，5h下進(jìn)行；

（2）“酸浸”時(shí)用鹽酸溶解FeTiO3生成TiOCl42時(shí)，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為FeTiO3+4H++4Cl＝Fe2++ TiOCl42 + 2H2O；

（3）溫度是影響速率的主要因素，但H2O2在高溫下易分解、氨水易揮發(fā)，即原因是低于40℃，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率隨溫度升高而增加；超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率下降；

（4）Li2Ti5O15中Li為+1價(jià)，O為-2價(jià)，Ti為+4價(jià)，過氧根(O22-)中氧元素顯-1價(jià)，設(shè)過氧鍵的數(shù)目為x，根據(jù)正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為0，可知(+1)×2+(+4)×5+(-2)×(15-2x)+(-1)×2x=0，解得：x=4；

（5）Ksp[FePO4]=c(Fe3+)×c(PO43-)=1.3×10-2，則c(PO43-)＝＝1.3×10-17mol/L，Qc[Mg3(PO4)2]＝c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01)3×(1.3×10-17)2=1.69×10-40＜1.0×10—34，則無沉淀。

（6）高溫下FePO4與Li2CO3和H2C2O4混合加熱可得LiFePO4，根據(jù)電子守恒和原子守恒可得此反應(yīng)的化學(xué)方程式為2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。