Question

6．磷酸铁（FePO₄）为难溶于水的米白色固体，可用于制备药物、食品添加剂和锂离子电池的正极材料．实验室利用钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等杂质）制备磷酸铁和锂离子电池正极材料（LiFePO₄）的部分工业流程如图所示：

（1）富钛渣中的主要成分为TiO₂和SiO₂（填化学式）．煅烧得到LiFePO₄的化学方程式为2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O．
（2）在共沉淀步骤中加入H₂O₂的目的是让滤液中的Fe²⁺完全被H₂O₂氧化．
①反应的离子方程式为2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
②下列实验条件控制正确的是AB（填序号）．
A．加入适当过量的H₂O₂溶液             B．缓慢滴加H₂O₂溶液并搅拌
C．加热，使反应在较高温度下进行        D．用氨水调节pH=7
（3）已知Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺离子形成磷酸盐的Ksp分别为2.0×10^-29、1.0×10^-24和9.9×10^-16，若溶液中三种金属阳离子的浓度均为0.1mol•L^-1，则加入H₃PO₄时首先生成沉淀的化学式为FePO₄．
（4）制备LiFePO₄的过程中，理论上所需  17%双氧水与H₂C₂O₄•2H₂O的质量比为100：63．
（5）钛铁矿中钛含量的测定步骤为：
①还原．将含钛试样溶解于强酸溶液中，再加入铝片将TiO²⁺还原为Ti³⁺，并将Fe³⁺还原．反应装置如图所示，使用封闭漏斗的目的是避免生成的Ti³⁺被空气氧化．
②滴定．取下封闭漏斗，向锥形瓶中加入2～3滴KSCN溶液，立即用FeCl₃ 标准溶液滴定至终点，记录读数．
③计算．下列操作会导致测定结果偏低的是bc．
a．还原操作结束后铝片有剩余
b．还原操作结束后，反应液仍呈黄色
c．缓慢滴定，且剧烈振荡锥形瓶，但无溶液溅出．

Answer 1

分析 钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等杂质）用盐酸溶解后可以得到含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺的溶液和含有TiO₂、SiO₂的固体，过滤后在滤液中加入双氧水和磷酸，可得到FePO₄固体，将FePO₄、Li₂CO₃、H₂C₂O₄•2H₂O煅烧可得到LiFePO₄，
（1）根据流程分析，SiO₂是不溶于酸的，根据元素守恒可写出煅烧得到LiFePO₄的化学方程式；
（2）①Fe²⁺与H₂O₂在酸性条件下发生氧化还原反应生成Fe³⁺和水；
②由于双氧水易受热分解，所以双氧水要适当过量，且加入的速度要慢，以防止反应过快，温度升高，Fe²⁺与H₂O₂在酸性条件下发生氧化还原反应；
（3）物质的Ksp越小，越容易形成沉淀；
（4）根据电子得失守恒可知H₂O₂～2Fe³⁺，根据煅烧中的反应方程式可知2FePO₄～H₂C₂O₄•2H₂O，所以H₂O₂～H₂C₂O₄•2H₂O，据此进行计算；
（5）①Ti³⁺易被空气氧化；
③a．还原操作结束后铝片有剩余，会多消耗FeCl₃ 标准溶液，
b．还原操作结束后，反应液仍呈黄色，说明FeCl₃ 标准溶液不足；
c．缓慢滴定，且剧烈振荡锥形瓶，但无溶液溅出，溶液中部分Ti³⁺会被空气中的氧气氧化，会导致FeCl₃ 标准溶液消耗量偏少．

解答 解：钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，含有少量MgO、CaO、SiO₂等杂质）用盐酸溶解后可以得到含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺的溶液和含有TiO₂、SiO₂的固体，过滤后在滤液中加入双氧水和磷酸，可得到FePO₄固体，将FePO₄、Li₂CO₃、H₂C₂O₄•2H₂O煅烧可得到LiFePO₄，
（1）根据流程分析，SiO₂是不溶于酸的，所以富钛渣中的主要成分是TiO₂和SiO₂，根据元素守恒可知煅烧得到LiFePO₄的化学方程式为2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O，
故答案为：SiO₂；2FePO₄+Li₂CO₃+H₂C₂O₄•2H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO₂↑+3H₂O；
（2）①Fe²⁺与H₂O₂在酸性条件下发生氧化还原反应生成Fe³⁺和水，反应的离子方程式为2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：2Fe ²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
②由于双氧水易受热分解，所以双氧水要适当过量，且加入的速度要慢，以防止反应过快，温度升高，Fe²⁺与H₂O₂在酸性条件下发生氧化还原反应，
故选AB；
（3）物质的Ksp越小，越容易形成沉淀，FePO₄的Ksp为2.0×10^-29是最小，所以Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺三种金属阳离子的浓度均为0.1mol•L^-1时，加入H₃PO₄首先生成沉淀的化学式为FePO₄，
故答案为：FePO₄；
（4）根据电子得失守恒可知H₂O₂～2Fe³⁺，根据煅烧中的反应方程式可知2FePO₄～H₂C₂O₄•2H₂O，所以H₂O₂～H₂C₂O₄•2H₂O，即H₂O₂和H₂C₂O₄•2H₂O的物质的量之比为1：1，所以17%双氧水与H₂C₂O₄•2H₂O的质量比为$\frac{34}{17%}：（100+36）$=200：136=100：63，
故答案为：100：63；
（5）①Ti³⁺易被空气氧化，所以使用封闭漏斗的目的是避免生成的Ti³⁺被空气氧化，
故答案为：避免生成的Ti³⁺被空气氧化；
③a．还原操作结束后铝片有剩余，会多消耗FeCl₃ 标准溶液，会导致测定结果偏高；
b．还原操作结束后，反应液仍呈黄色，说明FeCl₃ 标准溶液不足，会导致测定结果偏低；
c．缓慢滴定，且剧烈振荡锥形瓶，但无溶液溅出，溶液中部分Ti³⁺会被空气中的氧气氧化，会导致FeCl₃ 标准溶液消耗量偏少，会导致测定结果偏低；
所以操作会导致测定结果偏低的是bc，
故选bc．

点评 本题以铁及其化合物为载体考查了物质的制备，涉及氧化还原反应、实验操作、反应速率的影响因素等知识点，根据物质之间的关系式、实验操作的规范性、影响反应速率的因素等知识点来分析解答，题目难度中等．