Question

【题目】利用钛矿的酸性废液(含TiO2+、Fe2+、Fe3+、SO42-等)，可回收获得FeS2纳米材料、Fe2O3和TiO2·nH2O等产品，流程如下：

(1)TiO2+中钛元素的化合价为________价。TiO2+只能存在于强酸性溶液中，因为TiO2+易水解生成TiO2·nH2O，写出水解的离子方程式_________________________________。

(2)向富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末能得到固体TiO2·nH2O。请用化学反应原理解释__________________________________。

(3)NH4HCO3溶液与FeSO4溶液反应的离子方程式为_______________________，该反应需控制温度在308K以下，其目的是_____________________________。

(4)已知298K时，Ksp[Fe(OH)2]=8.0×10-16，若在生成的FeCO3达到沉淀溶解平衡时，测得溶液的pH为8.5，c(Fe2+)=1.0×10-5mol·L-1，则所得的FeCO3中________Fe(OH)2(填“有”或“没有”)。

(5)FeS2纳米材料可用于制造高容量锂电池，已知电解质为熔融的K2S，电池放电时的总反应为：4Li+FeS2=Fe+2Li2S，则正极的电极反应式是_______________。

Answer 1

【答案】+4 TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+ 碳酸钠消耗H+，c(H+)减小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移动 Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O 防止NH4HCO3受热分解和减少Fe2+的水解 没有 FeS2+4e-﹦Fe+2S2-

【解析】

酸性废液(含TiO2+、Fe2+、Fe3+、SO42-等)中加入适量铁屑，发生反应2Fe3++Fe==3Fe2+，冷却结晶后，Fe2+转化为绿矾晶体；绿矾晶体溶于水得FeSO4溶液，往溶液中加入足量的NH4HCO3溶液，发生反应生成CO2气体和FeCO3沉淀等；FeCO3固体在O2中煅烧，可生成Fe2O3和CO2；富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末，能得到固体TiO2·nH2O，同时应生成CO2。

(1)TiO2+中，O元素显-2价，则钛元素的化合价为+4价。TiO2+只能存在于强酸性溶液中，因为TiO2+易水解生成TiO2·nH2O，表明TiO2+结合H2O中的O，生成H+，则水解的离子方程式为TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+。答案为：+4；TiO2++(n+1)H2OTiO2nH2O+2H+；

(2)向富含TiO2+的酸性溶液中加入Na2CO3粉末能得到固体TiO2·nH2O，同时应生成CO2气体。用化学反应原理解释为碳酸钠消耗H+，c(H+)减小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移动。答案为：碳酸钠消耗H+，c(H+)减小，使TiO2+水解平衡向生成TiO2nH2O方向移动；

(3)NH4HCO3溶液与FeSO4溶液反应，生成CO2气体和FeCO3沉淀等，离子方程式为Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O，该反应需控制温度在308K以下，主要从NH4HCO3的热稳定性和Fe2+的水解两方面考虑，其目的是防止NH4HCO3受热分解和减少Fe2+的水解。答案为：Fe2++2HCO3- =FeCO3↓+CO2↑+H2O；防止NH4HCO3受热分解和减少Fe2+的水解；

(4)溶液的pH为8.5，则pOH=5.5，c(OH-)=1.0×10-5.5mol·L-1，c(Fe2+)=1.0×10-5mol·L-1，则c(Fe2+) c2(OH-)=1.0×10-5×(1.0×10-5.5)2=1.0×10-16<8.0×10-16，故所得的FeCO3中没有Fe(OH)2。答案为：没有；

(5)电解质为熔融的K2S，由电池放电时的总反应：4Li+FeS2=Fe+2Li2S，可确定正极反应为FeS2得电子生成Fe和S2-，电极反应式是FeS2+4e-﹦Fe+2S2-。答案为：FeS2+4e-﹦Fe+2S2-。