题目内容

【题目】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,铁的浸出率结果如上图所示。由图可知,当铁的浸出率为70%时,所采用的实验条件为_____________

(2)“酸浸”后,钛主要以形式存在,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:

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②”中,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),使恰好沉淀完全即溶液中,此时是否有沉淀生成? ________(列式计算)。的Ksp分别为

(6)写出“高温煅烧②”中由制备的化学方程式___________

【答案】100、2h,90、5h FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O 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转化速率下降 4 Fe3+恰好沉淀完全时,c(PO43-)=mol·L1=1.3×10–17 mol·L1

c3(Mg2+)×c2(PO43-)=(0.01 mol·L1)3×(1.3×10–17 mol·L1)2 =1.69×10–40<Ksp [Mg3(PO4)2],因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2

【解析】

(1)观察题(1)中的图可以看出,浸出率为70%时有2个点满足,一个点为100、2h,另一个点为90、5h;

(2)反应物为FeTiO3,因为酸浸,故反应物应有H+,因生成物为TiOCl42-,根据原子守恒和电荷守恒配平该氧化还原反应;

(3)结合化学反应速率、双氧水和氨水受热不稳定的性质综合分析转化率。

(4)Li2Ti5O15Ti的化合价为+4,Li的化合价为+1,O的化合价为-2,过氧根(O22-)中氧元素显-1价,过氧键存在于-1价的O中,每2之间存在1个过氧键,设该分子内过氧键的数目为x,根据化合物中各元素代数和为0分析作答;

(5)先根据Ksp[FePO4]计算出Fe3+恰好沉淀完全时,溶液中的PO43-的浓度,再结合Mg2+PO43-的离子浓度商Qc[Mg3(PO4)2]与溶度积Ksp[Mg3(PO4)2]之间的大小关系,判断是否有沉淀生成;

(6)根据流程图知反应物为FePO4、Li2CO3、H2C2O4,生成物为LiFePO4根据各元素化合价情况结合原子守恒规律分析作答;

(1)由图可知,铁的浸出率在70%时,所采用的实验条件是:利用盐酸在100下浸出2小时或利用盐酸90下浸出5小时,

故答案为:100、2h,90、5h;

(2)反应物为FeTiO3,因为酸浸,故反应物应有H+,因生成物为TiOCl42-,因此反应物中还应有Cl-,然后根据原子守恒和电荷守恒配平,得到离子方程式为FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O,

答案为:FeTiO3+ 4H++4Cl = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O;

(3)一方面,温度低于40时,随温度升高,化学反应速率加快,另一方面,温度高于40时,氨水挥发速率加快、双氧水分解速度加快,导致反应物浓度减小,结果转化率降低,

故答案为: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转化速率下降;

(4)Li/span>2Ti5O15Ti的化合价为+4,Li的化合价为+1,O的化合价位-2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,可得(+1)2+(+4)5+(-2)(15-2x)+(-1)2x = 0,解得x = 4,

故答案为:4;

(5)由Ksp[FePO4] = c(Fe3+)·c(PO43-)得,Fe3+恰好沉淀完全时,溶液中的PO43-的浓度c(PO43-) = mol/L= 1.310-17 mol/L,Mg2+PO43-离子浓度商Qc[Mg3(PO4)2] = c3(Mg2+)·c2(PO43-) = (0.01 mol/L)3(1.310-17)2 = 1.6910-40Ksp[Mg3(PO4)2],故不会生成Mg3(PO4)2沉淀,

答案为:Fe3+恰好沉淀完全时,c(PO43-)=mol·L1=1.3×10–17 mol·L1

c3(Mg2+)×c2(PO43-)=(0.01 mol·L1)3×(1.3×10–17 mol·L1)2 =1.69×10–40<Ksp [Mg3(PO4)2],因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。

(6)根据流程图知反应物为FePO4、Li2CO3、H2C2O4,生成物为LiFePO4,各元素化合价情况为为,故Fe化合价降低,C化合价升高,可知产物之一为CO2,反应物有H原子,故产物有H2O,方程式为:2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑,

故答案为:2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。

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