Question

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Li₄Ti₅O₁₂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
（1）濾渣A的成分是

 

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（2）濾液B中TiOCl₄^2-轉化生成TiO₂的離子方程式是

 

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（3）反應③的化學方程式是

 

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（4）由濾液D制備LiFePO₄的過程中，理論上所需17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比是

 

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（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

充電

放電

Li₇Ti₅O₁₂+3FePO₄該電池充電時陽極反應式是

 

．

Answer 1

考點：物質分離和提純的方法和基本操作綜合應用,制備實驗方案的設計

專題：實驗設計題

分析：鐵礦石加入鹽酸溶解過濾得到濾渣為二氧化硅，濾液B為MgCl₂、CaCl₂，F(xiàn)eCl₂、TiOCl₄^2-，加熱促進水解，過濾得到徹底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加入過氧化氫氧化亞鐵離子，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）操作①是過濾操作，依據(jù)過濾裝置分析儀器；MgO、CaO、SiO₂等雜質中，二氧化硅不溶于稀鹽酸，成為濾渣A；
（2）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；
（3）反應③是（NH₄）₂Ti₅O₁₅與強氧化鋰反應生成Li₂Ti₅O₁₅沉淀和氨水；
（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；鐵礦石加入鹽酸溶解過濾得到濾渣為二氧化硅，濾液B為MgCl₂、CaCl₂，F(xiàn)eCl₂、TiOCl₄^2-，加熱促進水解，過濾得到徹底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加入過氧化氫氧化亞鐵離子，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）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，故答案為：SiO₂；
（2）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

△   .

TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-，
故答案為：TiOCl₄^2-+H₂O

△   .

TiO₂↓+2H⁺+4Cl^-；
（3）根據(jù)流程圖示可知，反應③是（NH₄）₂Ti₅O₁₅與強氧化鋰反應生成Li₂Ti₅O₁₅沉淀和氨水，反應的化學方程式為：（NH₄）₂Ti₅O₁₅+2 LiOH=Li₂Ti₅O₁₅↓+2NH₃?H₂O（或2NH₃+2H₂O），
故答案為：（NH₄）₂Ti₅O₁₅+2 LiOH=Li₂Ti₅O₁₅↓+2NH₃?H₂O（或2NH₃+2H₂O）；
（4）根據(jù)電子守恒，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，
                34     90
              x×17%    y
 34y=90×x×17%，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：本題借助利用鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料流程，為高頻考點和高考常見題型，考查了離子方程式書寫、電極方程式書寫、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．