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）來制備，工藝流程如下：

回答下列問題：

（1）“酸浸”實驗中，鐵的浸出率結果如上圖所示。由圖可知，當鐵的浸出率為70%時，所采用的實驗條件為_____________。

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

（3）TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應40 min所得實驗結果如下表所示：

分析40 ℃時TiO2·xH2O轉化率最高的原因________。

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4，其中過氧鍵的數目為_______。

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

（6）寫出“高溫煅燒②”中由制備的化學方程式___________。

Answer 1

【答案】100℃、2h，90℃、5h FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O 低于40℃，TiO2·xH2O轉化反應速率隨溫度升高而增加,超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2·xH2O轉化速率下降 4 Fe3+恰好沉淀完全時，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%時有2個點滿足，一個點為100、2h，另一個點為90、5h；

（2）反應物為FeTiO3，因為酸浸，故反應物應有H+，因生成物為TiOCl42-，根據原子守恒和電荷守恒配平該氧化還原反應；

（3）結合化學反應速率、雙氧水和氨水受熱不穩定的性質綜合分析轉化率。

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4，Li的化合價為+1，O的化合價為-2，過氧根（O22-）中氧元素顯-1價，過氧鍵存在于-1價的O中，每2個之間存在1個過氧鍵，設該分子內過氧鍵的數目為x，根據化合物中各元素代數和為0分析作答；

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

（6）根據流程圖知反應物為FePO4、Li2CO3、H2C2O4，生成物為LiFePO4，根據各元素化合價情況結合原子守恒規律分析作答；

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

故答案為：100℃、2h，90℃、5h；

（2）反應物為FeTiO3，因為酸浸，故反應物應有H+，因生成物為TiOCl42-，因此反應物中還應有Cl-，然后根據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，隨溫度升高，化學反應速率加快，另一方面，溫度高于40時，氨水揮發速率加快、雙氧水分解速度加快，導致反應物濃度減小，結果轉化率降低，

故答案為：低于40℃，TiO2·xH2O轉化反應速率隨溫度升高而增加,超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2·xH2O轉化速率下降；

（4）Li/span>2Ti5O15中Ti的化合價為+4，Li的化合價為+1，O的化合價位-2價，過氧根（O22-）中氧元素顯-1價，設過氧鍵的數目為x，根據正負化合價代數和為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，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]，故不會生成Mg3(PO4)2沉淀，

答案為：Fe3+恰好沉淀完全時，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]，因此不會生成Mg3(PO4)2沉淀。

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

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