Question

【題目】利用鈦礦的酸性廢液(含TiO2+、Fe2+、Fe3+、SO42-等)，可回收獲得FeS2納米材料、Fe2O3和TiO2·nH2O等產品，流程如下：

(1)TiO2+中鈦元素的化合價為________價。TiO2+只能存在于強酸性溶液中，因為TiO2+易水解生成TiO2·nH2O，寫出水解的離子方程式_________________________________。

(2)向富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末能得到固體TiO2·nH2O。請用化學反應原理解釋__________________________________。

(3)NH4HCO3溶液與FeSO4溶液反應的離子方程式為_______________________，該反應需控制溫度在308K以下，其目的是_____________________________。

(4)已知298K時，Ksp[Fe(OH)2]=8.0×10-16，若在生成的FeCO3達到沉淀溶解平衡時，測得溶液的pH為8.5，c(Fe2+)=1.0×10-5mol·L-1，則所得的FeCO3中________Fe(OH)2(填“有”或“沒有”)。

(5)FeS2納米材料可用于制造高容量鋰電池，已知電解質為熔融的K2S，電池放電時的總反應為：4Li+FeS2=Fe+2Li2S，則正極的電極反應式是_______________。

Answer 1

【答案】+4 TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+ 碳酸鈉消耗H+，c(H+)減小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移動 Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O 防止NH4HCO3受熱分解和減少Fe2+的水解 沒有 FeS2+4e-﹦Fe+2S2-

【解析】

酸性廢液(含TiO2+、Fe2+、Fe3+、SO42-等)中加入適量鐵屑，發生反應2Fe3++Fe==3Fe2+，冷卻結晶后，Fe2+轉化為綠礬晶體；綠礬晶體溶于水得FeSO4溶液，往溶液中加入足量的NH4HCO3溶液，發生反應生成CO2氣體和FeCO3沉淀等；FeCO3固體在O2中煅燒，可生成Fe2O3和CO2；富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末，能得到固體TiO2·nH2O，同時應生成CO2。

(1)TiO2+中，O元素顯-2價，則鈦元素的化合價為+4價。TiO2+只能存在于強酸性溶液中，因為TiO2+易水解生成TiO2·nH2O，表明TiO2+結合H2O中的O，生成H+，則水解的離子方程式為TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+。答案為：+4；TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+；

(2)向富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末能得到固體TiO2·nH2O，同時應生成CO2氣體。用化學反應原理解釋為碳酸鈉消耗H+，c(H+)減小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移動。答案為：碳酸鈉消耗H+，c(H+)減小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移動；

(3)NH4HCO3溶液與FeSO4溶液反應，生成CO2氣體和FeCO3沉淀等，離子方程式為Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O，該反應需控制溫度在308K以下，主要從NH4HCO3的熱穩定性和Fe2+的水解兩方面考慮，其目的是防止NH4HCO3受熱分解和減少Fe2+的水解。答案為：Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O；防止NH4HCO3受熱分解和減少Fe2+的水解；

(4)溶液的pH為8.5，則pOH=5.5，c(OH-)=1.0×10-5.5mol·L-1，c(Fe2+)=1.0×10-5mol·L-1，則c(Fe2+) c2(OH-)=1.0×10-5×(1.0×10-5.5)2=1.0×10-16<8.0×10-16，故所得的FeCO3中沒有Fe(OH)2。答案為：沒有；

(5)電解質為熔融的K2S，由電池放電時的總反應：4Li+FeS2=Fe+2Li2S，可確定正極反應為FeS2得電子生成Fe和S2-，電極反應式是FeS2+4e-﹦Fe+2S2-。答案為：FeS2+4e-﹦Fe+2S2-。