Question

15．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）的工艺流程如图1所示：

已知：FeTiO₃与盐酸反应的离子方程式为：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-═Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O．1
（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TiOCl₄^2-转化生成TiO₂的离子方程式为TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）反应②中固体TiO₂转化成（NH₄）₂Ti₅O₁₅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）写出由滤液D生成FePO₄的离子方程式2Fe²⁺+2H₃PO₄+H₂O₂=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺．
（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．

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；
（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）二氧化钛与氨水、双氧水反应生成（NH₄）₂Ti₅O₁₅，温度过高，双氧水和氨水都容易分解；
（5）过氧化氢将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入磷酸得到沉淀磷酸铁；
（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．

解答 解：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）反应FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+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，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=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案为：TiOCl₄^2-+H₂O=TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（4）由于二氧化钛与氨水、双氧水反应生成（NH₄）₂Ti₅O₁₅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）过氧化氢将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入磷酸得到沉淀磷酸铁，反应离子方程式为：2Fe²⁺+2H₃PO₄+H₂O₂=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺，
故答案为：2Fe²⁺+2H₃PO₄+H₂O₂=2FePO₄↓+2H₂O+4H⁺；
（6）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．

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．