Question

9．鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃（可表示為FeO•TiO₂），含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質．利用鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料（鈦酸鋰LiTi₅0₁₂和磷酸亞鐵鋰LiFePO₄）的工業(yè)流程如圖所示：

已知：FeTiO₃與鹽酸反應的離子方程式為：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O
（I）化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價是+2．
（2）濾渣A的成分是SiO₂．濾渣A的熔點大于干冰的原因是SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點高于分子晶體．
（3）濾液B中TiOCI₄^2-轉化生成Ti0₂的離子方程式是TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-．
（4）由濾液D制備LiFeP0₄的過程中，所需17%雙氧水與H₂C₂0₄的質量比是20：9．
（5）若采用鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）和磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）作電極組成電池，其工作原理為：Li₄Ti₅O₁₂+
3LiFePO₄$?_{放電}^{充電}$LiTi₅0₁₂+3FePO₄．該電池充電時陽極反應LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

Answer 1

分析 鐵礦石加入鹽酸溶解過濾得到濾渣A為二氧化硅，濾液B中含有MgCl₂、CaCl₂、FeCl₂、TiCl₂等，加熱促進水解，過濾得到沉淀TiO₂，加入過氧化氫和氨水反應得到（NH₄）₂Ti₅O₁₅，加入氫氧化鋰溶液得到沉淀Li₂Ti₅O₁₅，加入碳酸鋰煅燒得到鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂，濾液D加入過氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入磷酸得到沉淀磷酸鐵，加入碳酸鋰和草酸煅燒得到磷酸亞鐵鋰LiFePO₄．
（1）根據(jù)反應FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O，不是非氧化還原反應，可以判斷鐵元素化合價為+2價；
（2）MgO、CaO、SiO₂等雜質中，二氧化硅不溶于稀鹽酸，成為濾渣A；根據(jù)干冰、二氧化硅的晶體歸屬解釋熔沸點差異很大的原因，SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點高于分子晶體；
（3）根據(jù)流程圖示，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應生成二氧化鈦沉淀；
（4）根據(jù)電子守恒找出雙氧水與草酸的關系式，然后列式計算計算出17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比；
（5）充電時按照電解槽進行分析，陽極氧化陰極還原，寫出陽極放電的電解方程式即可．

解答 解：（1）非氧化還原反應沒有化合價的變化，反應FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O中，不是非氧化還原反應，由Fe²⁺可以判斷化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價為+2價，
故答案為：+2；
（2）由于雜質中二氧化硅不溶于鹽酸，所以濾渣A成分是二氧化硅，干冰屬于分子晶體，二氧化硅屬于原子晶體，原子晶體中原子以共價鍵結合，分子晶體中分子以分子間作用力相結合，干冰氣化需克服分子間作用力，而化學鍵沒有變化，二氧化硅熔化時需破壞碳碳共價鍵，所以原子晶體的熔沸點高于分子晶體；
故答案為：SiO₂；SiO₂屬于原子晶體，干冰屬于分子晶體，原子晶體的熔沸點高于分子晶體；
（3）根據(jù)流程可知，TiOCl₄^2-在溶液中加熱與水反應生成二氧化鈦沉淀，反應的離子方程式為：TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案為：TiOCl₄^2-+H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（4）根據(jù)電子守恒，過氧化氫氧化鐵元素轉移的電子就等于鐵離子氧化草酸轉移的電子數(shù)，因此可得關系式：H₂O₂～H₂C₂O₄，
設雙氧水質量為x，草酸質量為y，則：
H₂O₂～H₂C₂O₄
34     90
x×17%  y
所以34y=90×x×17%，整理可得x：y=20：9，
17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比為20：9，
故答案為：20：9；
（5）充電時，陽極發(fā)生氧化反應，LiFePO₄失去電子生成FePO₄，電極反應為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺，
故答案為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．

點評 本題以鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料工藝流程為載體，考查陌生方程式書寫、元素化合物性質、對條件控制的分析評價、化學計算等知識，涉及的內容較多，綜合性較強，充分考查了學生的綜合能力，本題難度中等．