Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎授予鋰離子電池的發明者，鋰離子電池是目前應用廣泛的一類電池。以鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，含有少量MgO、Fe2O3、SiO2等雜質)為原料，制備鋰離子電池電極材料的工藝流程如圖所示：

已知：①濾液1中含Ti微粒的主要存在形式為TiO2+；

②)Ksp(FePO4)=1.3×10-22、Ksp[Mg3(PO4)2]=1.0×10-24；溶液中某離子濃度小于等于10-5mol·L-1時，認為該離子沉淀完全。

請回答下列問題：

（1）濾渣1中主要成分的化學式為__。

（2）“結晶”溫度需控制在70℃左右，若溫度過高會導致的后果為__。

（3）“轉化I”后所得溶液中c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若其中Fe3+沉淀完全，則溶液中c(PO43-)的范圍為__。

（4）“煅燒I”反應中氧化劑和還原劑的物質的量之比為__。

（5）“轉化II”中H2TiO3的轉化率(α)與溫度(T)的關系如圖所示。T0℃時，一定時間內H2TiO3的轉化率最高的原因為__。

（6）Li2Ti5O15中-1價與-2價O原子的數目之比為___。“煅燒II”反應中同時生成兩種參與大氣循環的氣體，該反應的化學方程式為__。

（7）某鋰離子電池放電時的電池反應為Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，則充電時陽極的電極反應式為__。

Answer 1

【答案】SiO2 TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產率，且使濾渣2中混有雜質 mol/L c(PO43-)<1.010-9mol/L 2：1 溫度低于T0℃時，反應速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉化率升高，高于T0℃時后，雙氧水分解和氨氣的揮發導致反應速率減小，使H2TiO3的轉化率降低 8:7 Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2 LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+

【解析】

鐵礦石加入硫酸溶解過濾得到濾渣為二氧化硅，濾液1為MgCl2、FeCl3、TiOSO4，加鐵粉與過量硫酸反應并調pH，濾液中TiO2+水解得到H2TiO3，加入過氧化氫和氨水、氫氧化鋰溶液得到沉淀Li2Ti5O15，加入碳酸鋰煅燒得到鈦酸鋰Li4Ti5O12，濾渣2加入過氧化氫氧化亞鐵離子，加入磷酸得到沉淀磷酸鐵，加入碳酸鋰和草酸煅燒得到磷酸亞鐵鋰LiFePO4；據此分析解答。

（1）鈦鐵礦的成分中只有SiO2不溶于硫酸，濾渣1的成分為SiO2，故答案為：SiO2；

（2）“結晶”溫度需控制在70℃左右，如果溫度過高，TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產率，且使濾渣2中混有雜質，故答案為：TiO2+會提前水解而降低H2TiO3的產率，且使濾渣2中混有雜質；

（3）Fe3+剛好沉淀完全時，c(PO43-)==mol/L，要保證Fe3+沉淀完全，c(PO43-)應該 mol/L；c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若剛好產生沉淀，c(PO43-)===1.010-9mol/L，而按題意分析應不能使鎂離子沉淀，故c(PO43-)<1.010-9mol/L，故答案為： mol/L c(PO4span>3-)<1.010-9mol/L；

（4）“煅燒I”反應中氧化劑為FePO4，反應后被還原為LiFePO4，1mol氧化劑得到1mol電子；還原劑為H2C2O4，被氧化成CO2，1mol還原劑失去2mol電子，根據電子守恒，氧化劑與還原劑的物質的量比值為：2：1，故答案為：2：1；

（5）“轉化II”中H2TiO3的轉化率(α)與溫度(T)的關系如圖所示，溫度低于T0℃時，反應速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉化率升高，高于T0℃時后，雙氧水分解和氨氣的揮發導致反應速率減小，使H2TiO3的轉化率降低，所以T0℃時，一定時間內H2TiO3的轉化率最高，故答案為：溫度低于T0℃時，反應速率隨溫度升高而加快，H2TiO3的轉化率升高，高于T0℃時后，雙氧水分解和氨氣的揮發導致反應速率減小，使H2TiO3的轉化率降低；

（6）Li2Ti5O15中Li顯+1價，Ti顯+4價，根據代數和為零可算出15個O共顯-22價，設-1價O數目為x，-2價O數目為y，有x+y=15；-x-2y=-22，算出x=8，y=7，-1價與-2價O原子的數目之比為8:7；“煅燒II”反應中同時生成的兩種參與大氣循環的氣體應為O2和CO2,可寫出化學方程式為：Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；故答案為：8:7；Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；

（7）電池反應為Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，LixC6為負極，Li1-xFePO4為正極，充電時陽極反應應該是LiFePO4變為Li1-xFePO4，電極反應式為：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+，故答案為：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+。