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3.钛铁矿的主要成分为FeTiO3(可表示为FeO•TiO2),含有少量MgO、CaO、SiO2等杂质.利用钛铁矿制备锂离子电池电极材料(钛酸锂Li4Ti5O12和磷酸亚铁锂LiFePO4)的工业流程如图所示:

已知:FeTiO3与盐酸反应的离子方程式为FeTiO3+4H++4Cl-═Fe2++TiOCl42-+2H2O
(1)化合物FeTiO3中铁元素的化合价是+2.
(2)滤渣A的成分是SiO2
(3)滤液B中TiOCl42-转化生成TiO2的离子方程式是TiOCl${\;}_{4}^{2-}$+H2O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO2↓+2H++4Cl-
(4)反应②中固体TiO2转化成(NH42Ti5O15溶液时,Ti元素的浸出率与反应温度的关系如图2所示.反应温度过高时,Ti元素浸出率下降的原因是温度过高时,反应物氨水(或双氧水)受热易分解.
(5)反应③的化学方程式是(NH42Ti5O15+2LiOH═Li2Ti5O15↓+2NH3•H2O.
(6)由滤液D制备LiFePO4的过程中,所需17%双氧水与H2C2O4的质量比是20:9.
(7)若采用钛酸锂(Li4Ti5O12)和磷酸亚铁锂(LiFePO4)做电极组成电池,其工作原理为Li4Ti5O12+3LiFePO4$?_{放电}^{充电}$Li7Ti5O12+3FePO4,该电池充电时阳极反应式是LiFePO4-e-═FePO4+Li+

分析 (1)根据反应FeTiO3+4H++4Cl-=Fe2++TiOCl42-+2H2O,不是非氧化还原反应,可以判断铁元素化合价为+2价;
(2)MgO、CaO、SiO2等杂质中,二氧化硅不溶于稀盐酸,成为滤渣A;
(3)根据流程图示,TiOCl42-在溶液中加热与水反应生成二氧化钛沉淀;
(4)二氧化钛与氨水、双氧水反应生成NH42Ti5O15,温度过高,双氧水和氨水都容易分解;
(5)反应3是(NH42Ti5O15与强氧化锂反应生成Li2Ti5O15沉淀和氨水;
(6)根据电子守恒找出双氧水与草酸的关系式,然后列式计算计算出17%双氧水与H2C2O4的质量比;
(7)充电时按照电解槽进行分析,阳极氧化阴极还原,写出阳极放电的电解方程式即可.

解答 解:(1)反应FeTiO3+4H++4Cl-=Fe2++TiOCl42-+2H2O中,不是非氧化还原反应,可以判断铁元素化合价为+2价,
故答案为:+2;
(2)由于杂质中二氧化硅不溶于盐酸,所以滤渣A成分是二氧化硅,
故答案为:SiO2
(3)根据流程可知,TiOCl42-在溶液中加热与水反应生成二氧化钛沉淀,反应的离子方程式为:TiOCl42-+H2O=TiO2↓+2H++4Cl-
故答案为:TiOCl42-+H2O=TiO2↓+2H++4Cl-
(4)由于二氧化钛与氨水、双氧水反应生成NH42Ti5O15时,温度过高,双氧水和氨水都容易分解,所以反应温度过高时,Ti元素浸出率下降,
故答案为:温度过高时,反应物氨水(或双氧水)受热易分解;
(5)根据流程图示可知,反应3是(NH42Ti5O15与强氧化锂反应生成Li2Ti5O15沉淀和氨水,反应的化学方程式为:(NH42Ti5O15+2 LiOH=Li2Ti5O15↓+2NH3•H2O(或2NH3+2H2O),
故答案为:(NH42Ti5O15+2 LiOH=Li2Ti5O15↓+2NH3•H2O(或2NH3+2H2O);
(6)根据电子守恒,氧化铁元素转移的电子就等于铁离子氧化草酸转移的电子数,
因此可得关系式:H2O2~H2C2O4,设双氧水质量为x,草酸质量为y,
               34       90
              x×17%   y
34y=90×x×17%,x:y=20:9,
17%双氧水与H2C2O4的质量比为20:9,
故答案为:20:9;
(7)充电时,阳极发生氧化反应,LiFePO4失去电子生成FePO4,电极反应为:LiFePO4-e-=FePO4+Li+
故答案为:LiFePO4-e-=FePO4+Li+

点评 本题借助利用钛铁矿制备锂离子电池电极材料流程,考查了化合价判断、离子方程式书写、电极方程式书写、化学计算等知识,涉及的内容较多,综合性较强,充分考查了学生的综合能力,本题难度中等.

练习册系列答案
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