Question

【題目】（14分）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，鐵的浸出率結果如下圖所示。由圖可知，當鐵的凈出率為70%時，所采用的實驗條件為___________________。

（2）“酸浸”后，鈦主要以TiOCl42-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：

溫度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O轉化率%	92	95	97	93	88

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

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的化學方程式 。

Answer 1

【答案】（1）溫度應控制在90℃-100℃

（2）FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42 + 2H2O

（3）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轉化反應速率下降

（4）4

（5）Fe3+恰好沉淀完全時，c()=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]，因此不會生成Mg3(PO4)2沉淀。

（6）2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑

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

（2）“酸浸”時用鹽酸溶解Fe TiO3生成TiOCl42時，發生反應的離子方程式為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，即原因是低于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轉化反應速率下降；

（4）Li2Ti5O15中Li為+1價，O為-2價，Ti為+4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，根據電子守恒和原子守恒可得此反應的化學方程式為2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。