Question

2．锂离子电池的应用很广，一种利用钛铁矿[主要成分为偏钛酸亚铁（FeTiO₃），含有少量Fe₂O₃]制取钛白粉（TiO₂）和利用其副产物制取锂离子电池的正极材料（LiFePO₄）的工艺流程如图（部分条件未给出）．

（1）FeTiO₃中Ti的化合价为+4；在“还原”步骤中，还原“Fe³⁺”的反应中氧化剂和还原剂之比为2：1．
（2）FeSO₄溶解度与温度关系如表，

温度（℃）	30	20	l5	l0	5	0	-2	-6
FeSO4（g/L）	240	190	130	117	95	79	59	38

则操作I 的名称为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤．
（3）“转化”步骤中对溶液进行加热的主要目的是加快和促进水解．
（4）写出“沉铁”的离子反应方程式2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，为使Fe³⁺完全沉降，则PO₄^3-的浓度至少应为9.91×10^-11mol/L（己知：ksp （FePO₄•2H₂O）=9.91×10^-16）．
（5）流程中可循环利用的物质是（H₂O除外）H₂SO₄，写出固相焙烧的反应方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙烧\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（6）某锂离子充放电时，正极发生LiFePO₄与FePO₄的转化，当充电时，电池负极发生的反应为6C+xLi⁺+xe^-=Li_xC6，写出放电时电池反应方程式xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄．

Answer 1

分析 钛铁矿[主要成分为钛酸亚铁（FeTiO）₃，含有少量Fe₂O₃]加硫酸溶解生成TiO²⁺和Fe³⁺、Fe²⁺，加入铁还原铁离子：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，得到硫酸亚铁和TiOSO₄，对溶液蒸发浓缩、冷却结晶，过滤得到绿矾晶体和TiOSO₄溶液，
将TiOSO₄溶液加热，促进TiO²⁺的水解生成TiO（OH）₂，TiO²⁺+2H₂O=TiO（OH）₂+2H⁺，分解得到钛白粉（TiO₂）；
将绿矾与过氧化氢、H₃PO₄混合沉铁：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，生成的硫酸可以循环利用，将得到的FePO₄与过量C、Li₂CO₃焙烧生成锂离子电池的正极材料LiFePO₄：2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙烧\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，据此分析解答．

解答 解：（1）FeTiO₃中铁元素+2价，氧元素-2价，化合总价为0，则Ti元素+4价；还原“Fe³⁺”的反应为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，氧化剂和还原剂之比为2：1；
故答案为：+4；2：1；
（2）由表可知FeSO₄溶解度随温度的升高而升高，操作I将FeSO₄结晶为绿矾，采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤可得；
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（3）转化为将TiOSO₄溶液水解生成TiO（OH）₂，对溶液进行加热可加快促进该水解；
故答案为：加快和促进水解；
（4）“沉铁”的为绿矾与过氧化氢、H₃PO₄混合生成FePO₄，离子方程式为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，己知：ksp （FePO₄•2H₂O）=9.91×10^-16），为使Fe³⁺完全沉降，则c（Fe³⁺）c（PO₄^3-）≥ksp （FePO₄•2H₂O），c（PO₄^3-）≥$\frac{9.91×1{0}^{-16}}{1×1{0}^{-5}}$mol/L=9.91×10^-11mol/L；
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₃PO₄=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺；9.91×10^-11mol/L；
（5）“沉铁”生成硫酸，可循环利用；FePO₄与过量C、Li₂CO₃焙烧生成锂离子电池的正极材料LiFePO₄，铁元素化合价降低，碳元素化合价升高，C过量则生成CO，反应为：2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙烧\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
故答案为：H₂SO₄；2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;焙烧\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（6）充放电过程中，正极发生LiFePO₄与FePO₄的转化，其中LiFePO₄→FePO₄的转化化合价降低，发生还原反应，而电池放电时负极发生的反应为：6C+xLi⁺+xe^-=Li_xC6，该反应为氧化反应，所以反应转化应该为：LiFePO₄→xLiFePO₄，所以电池放电时反应的化学方程式为：xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄；
故答案为：xFePO₄+Li_xC₆=6C+xLiFePO₄．

点评 本题借助利用钛铁矿制备锂离子电池电极材料流程，为高频考点和高考常见题型，考查了离子方程式书写、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．