Question

【題目】一種利用鈦鐵礦制備Li4Ti5O12的工藝流程如圖：

已知：鈦鐵礦的主要成分是FeTiO3(可表示為FeO·TiO2)，還含有少量的MgO和SiO2等雜質。

回答下列問題：

(1)酸浸時，要提高鐵的浸出率可采取的措施是___(寫出一條即可)。

(2)酸浸后的濾液①中鈦主要以TiOCl42-形式存在，則其水解生成TiO2·xH2O的離子方程式為___，加熱水的目的是___。

(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應時，應將溫度控制在50℃左右的原因是___。

(4)若將濾液②加熱至一定溫度后，再加入雙氧水和磷酸，恰好使Mg2＋沉淀完全[溶液中c(Mg2＋)降至1.0×10-5mol·L-1]，此時溶液中=___。已知：此溫度下，FePO4、Mg3(PO4)2的溶度積常數分別為1.5×10-21、1.0×10-23。

(5)高溫煅燒時發生反應的化學反應方程式為___。

(6)某可充電的鋰離子電池以Li4Ti5O12為正極，嵌入鋰的碳材料為負極，含Li＋導電固體為電解質。放電時的電池反應為LixC＋Li4Ti5O12=Li(x-5)C＋Li9Ti5O12，則充電時陰極電極反應式為___。

Answer 1

【答案】提高溫度或將礦石粉粹或適當提高酸的濃度等 TiOCl42-+(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H++4Cl- 促進水解 提高反應速率，同時防止溫度過高造成雙氧水分解，氨水揮發 1.5×10-12 Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑ Li(x-5)C+5Li++5e-=LixC

【解析】

用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質)來制備Li4Ti5O12，由制備流程可知，加鹽酸酸浸溶解，SiO2與鹽酸不反應，過濾后的濾渣為SiO2，濾液①中含Mg2+、Fe2+、TiOCl42-，對濾液①加熱發生水解反應TiOCl42-+(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H++4Cl-，水解后過濾，水解后的濾液②中含Mg2+、Fe2+，沉淀為TiO2xH2O，向沉淀中加入氨水、雙氧水和LiOH反應過濾后得到Li2Ti5O15，再與碳酸鋰高溫下發生反應Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑生成Li4Ti3O12，據此分析解答。

(1)酸浸時，要提高鐵的浸出率可采取的措施是提高溫度或將礦石粉粹或適當提高酸的濃度等；

(2)酸浸后的濾液①中鈦主要以TiOCl42-形式存在，則其水解生成TiO2·xH2O的離子方程式為TiOCl42-+(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H++4Cl-，加熱水的目的是促進水解；

(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應時，雙氧水受熱易分解，氨水受熱易揮發，應將溫度控制在50℃左右的原因是提高反應速率，同時防止溫度過高造成雙氧水分解，氨水揮發；

(4)若將濾液②加熱至一定溫度后，再加入雙氧水和磷酸，恰好使Mg2＋沉淀完全[溶液中c(Mg2＋)降至1.0×10-5mol·L-1]，根據Ksp[Mg3(PO4)2]=c3(Mg2+)×c2(PO43-)，c(PO43-)==1.0×10-4mol·L-1，Ksp(FePO4)=c(Fe3+)×c(PO43-)，c(Fe3+) = =1.5×10-17 mol·L-1，此時溶液中==1.5×10-12；

(5)根據分析，高溫煅燒時發生反應的化學反應方程式為Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑；

(6)某可充電的鋰離子電池以Li4Ti5O12為正極，嵌入鋰的碳材料為負極，含Li＋導電固體為電解質。放電時的電池反應為LixC＋Li4Ti5O12=Li(x-5)C＋Li9Ti5O12，則充電時為電解池，是放電時的逆過程，充電時的總反應為：Li(x-5)C＋Li9Ti5O12LixC＋Li4Ti5O12，陰極上得電子，發生還原反應，電極反應式為Li(x-5)C+5Li++5e-=LixC。