Question

9．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LiTi₅0₁₂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⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O
（I）化合物FeTiO₃中铁元素的化合价是+2．
（2）滤渣A的成分是SiO₂．滤渣A的熔点大于干冰的原因是SiO₂属于原子晶体，干冰属于分子晶体，原子晶体的熔沸点高于分子晶体．
（3）滤液B中TiOCI₄^2-转化生成Ti0₂的离子方程式是TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）由滤液D制备LiFeP0₄的过程中，所需17%双氧水与H₂C₂0₄的质量比是20：9．
（5）若采用钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）和磷酸亚铁锂（LiFePO₄）作电极组成电池，其工作原理为：Li₄Ti₅O₁₂+
3LiFePO₄$?_{放电}^{充电}$LiTi₅0₁₂+3FePO₄．该电池充电时阳极反应LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

Answer 1

分析 铁矿石加入盐酸溶解过滤得到滤渣A为二氧化硅，滤液B中含有MgCl₂、CaCl₂、FeCl₂、TiCl₂等，加热促进水解，过滤得到沉淀TiO₂，加入过氧化氢和氨水反应得到（NH₄）₂Ti₅O₁₅，加入氢氧化锂溶液得到沉淀Li₂Ti₅O₁₅，加入碳酸锂煅烧得到钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂，滤液D加入过氧化氢将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入磷酸得到沉淀磷酸铁，加入碳酸锂和草酸煅烧得到磷酸亚铁锂LiFePO₄．
（1）根据反应FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+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；根据干冰、二氧化硅的晶体归属解释熔沸点差异很大的原因，SiO₂属于原子晶体，干冰属于分子晶体，原子晶体的熔沸点高于分子晶体；
（3）根据流程图示，TiOCl₄^2-在溶液中加热与水反应生成二氧化钛沉淀；
（4）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；
（5）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）非氧化还原反应没有化合价的变化，反应FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O中，不是非氧化还原反应，由Fe²⁺可以判断化合物FeTiO₃中铁元素的化合价为+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，干冰属于分子晶体，二氧化硅属于原子晶体，原子晶体中原子以共价键结合，分子晶体中分子以分子间作用力相结合，干冰气化需克服分子间作用力，而化学键没有变化，二氧化硅熔化时需破坏碳碳共价键，所以原子晶体的熔沸点高于分子晶体；
故答案为：SiO₂；SiO₂属于原子晶体，干冰属于分子晶体，原子晶体的熔沸点高于分子晶体；
（3）根据流程可知，TiOCl₄^2-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：TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案为：TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（4）根据电子守恒，过氧化氢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，则：
H₂O₂～H₂C₂O₄
34     90
x×17%  y
所以34y=90×x×17%，整理可得x：y=20：9，
17%双氧水与H₂C₂O₄的质量比为20：9，
故答案为：20：9；
（5）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 本题以钛铁矿制备锂离子电池电极材料工艺流程为载体，考查陌生方程式书写、元素化合物性质、对条件控制的分析评价、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．