Question

【題目】鋰離子電池的應用很廣，一種利用鈦鐵礦[主要成分為偏鈦酸亞鐵（FeTiO3），含有少量Fe2O3]制取鈦白粉（TiO2）和利用其副產物制取鋰離子電池的正極材料（LiFePO4）的工藝流程如下（部分條件未給出）。

（1）FeTiO3中Ti的化合價為______；在“還原”步驟中，還原“Fe3+”的反應中氧化劑和還原劑的物質的量之比為__________。

（2）FeSO4溶解度與溫度關系如下表，

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

則操作I 的名稱為_______、過濾。

（3）“轉化” 步驟中對溶液進行加熱的主要目的是_____________。

（4）寫出“沉鐵”的離子反應方程式___________，為使Fe3+完全沉降，則PO43-的濃度至少應為___________（己知：Ksp (FePO4· 2H2O) = 9.91×10-16）。

（5）流程中可循環利用的物質是（H2O除外）______，寫出固相焙燒的反應方程式______。

（6）某鋰離子充放電時，正極發生LiFePO4與FePO4的轉化，當充電時，電池負極發生的

反應為6C+xLi++xe-=LixC6，寫出放電時電池反應方程式______________。

Answer 1

【答案】 +4 2:1 蒸發濃縮 冷卻結晶 加快和促進水解 2Fe2++H2O2+2H3PO4=2FePO4+2H2O+4H+；9.91×10-11mol/L H2SO4 2FePO4+Li2CO3+2C2LiFePO4+3CO↑ xFePO4+LixC6=6C+xLiFePO4

【解析】考查化學工藝流程，（1）FeTiO3為偏鈦酸亞鐵，其中O顯－2價，Fe顯＋2價，整個化合價代數和為0，即Ti的價態為＋4價；發生的反應是Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋，Fe作還原劑，Fe3＋作氧化劑，因此氧化劑和還原劑的物質的量之比為2：1；（2）根據表格數據，FeSO4受溫度的影響較大，操作I得到溶液和綠礬，綠礬是FeSO4·7H2O，因此采用蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾，進行分離；（3）TiOSO4轉化成TiO(OH)2，發生的是水解反應，水解反應是吸熱反應，加熱促進水解，因此加熱的目的是加快和促進水解；（4）考查氧化還原反應方程式的書寫和溶度積的計算，根據流程，“沉鐵”加入的物質是綠礬、H2O2和H3PO4，產物是FePO4，說明利用H2O2的氧化性把Fe2＋氧化成Fe3＋，本身被還原成H2O，因此有Fe2＋＋H2O2＋H3PO4→FePO4↓＋H2O，利用化合價升降法進行配平，即2Fe2＋＋H2O2＋2H3PO4→2FePO4↓＋H2O，離子反應方程式要求反應前后所帶電荷數相等，即生成物中有H＋，因此離子反應方程式為即2Fe2＋＋H2O2＋2H3PO4=2FePO4↓＋2H2O＋4H＋；Fe3＋完全沉淀，此時c(Fe3＋)=10－5mol·L－1，c(Fe3＋)×c(PO43－)=Ksp，因此c(PO43－)=Ksp/c(Fe3＋)=9.91×10－16/10－5mol·L－1=9.91×10－11mol·L－1；（5）根據流程圖，沉鐵的離子反應方程式，循環利用的物質為H2O和H2SO4；焙燒加入的物質為FePO4、C、Li2CO3，產物是LiFePO4，因為C是過量的，因此產物還有CO，因此反應方程式為：2FePO4+Li2CO3+2C2LiFePO4+3CO↑；（6）電池充電時，電池的負極接電源的負極，電池的正極接電源的正極，則電池放電時負極反應式LixC6－xe－=6C＋xLi＋，正極反應式FePO4＋e－＋Li＋=LiFePO4，正極×x＋負極，因此總電極反應式為xFePO4+LixC6=6C+xLiFePO4。