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【题目】(14分)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备,工艺流程如下:

回答下列问题:

(1)“酸浸”实验中,铁的浸出率结果如下图所示。由图可知,当铁的净出率为70%时,所采用的实验条件为___________________。

(2)“酸浸”后,钛主要以TiOCl42-形式存在,写出相应反应的离子方程式__________________。

(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示:

温度/

30

35

40

45

50

TiO2·xH2O转化率%

92

95

97

93

88

分析40 时TiO2·xH2O转化率最高的原因__________________。

(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4,其中过氧键的数目为__________________。

(5)若“滤液”中c(Mg2+)=0.02 mol/L,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1×10-5 mol/L,此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?___________(列式计算)。

FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10-22、1.0×10-24

(6)写出“高温煅烧”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式

【答案】(1)温度应控制在90-100

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

(3)低于40,TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加;超过40,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降

(4)4

(5)Fe3+恰好沉淀完全时,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],因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。

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

【解析】(1)由图示可知,“酸浸”时铁的净出率为70%时所需要的时间最短,速率最快,则应选择在100、2h,90,5h下进行;

(2)“酸浸”时用盐酸溶解Fe TiO3生成TiOCl42时,发生反应的离子方程式为FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42 + 2H2O;

(3)温度是影响速率的主要因素,但H2O2在高温下易分解、氨水易挥发,即原因是低于40,TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加;超过40,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降;

(4)Li2Ti5O15中Li为+1价,O为-2价,Ti为+4价,过氧根(O22-)中氧元素显-1价,设过氧键的数目为x,根据正负化合价代数和为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,则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,则无沉淀。

(6)高温下FePO4与Li2CO3和H2C2O4混合加热可得LiFePO4,根据电子守恒和原子守恒可得此反应的化学方程式为2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O+ 3CO2

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