Question

3．鋰離子電池是目前具有最高比能量的二次電池．LiFePO₄可極大地改善電池體系的安全性能，且具有資源豐富、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等特點(diǎn)，是鋰離子電池正極材料的理想選擇．生產(chǎn)LiFePO₄的一種工藝流程如圖1：

已知Kap：（FePO₄•xH₂O）=1.0×10^-15，Kap[Fe（OH）₃]=4.0×10^-30
回答下列問題：
（1）在合成硝酸鐵時(shí)，步驟I中pH的控制是關(guān)鍵．如果pH＜1.9，F(xiàn)e³⁺沉淀不完全，影響產(chǎn)量；如果pH＞3.0，則可能存在的問題是生成Fe（OH）₃雜質(zhì)，影響磷酸鐵的純度．
（2）步驟II中，洗滌是為了除去FePO₄•xH₂O表面附著的NO₃^-、NH₄⁺、H⁺等離子
（3）取3組FePO₄•xH₂O樣品，經(jīng)過高溫充分煅燒測其結(jié)晶水含量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表：

實(shí)驗(yàn)序號(hào)	1	2	3
固體失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)	19.9%	20.1%	20.0%

固體失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)=（樣品起始質(zhì)量-剩余固體質(zhì)量）/樣品起始質(zhì)量100%，則x=2.1（保留至0.1）．
（4）步驟III中研磨的作用是使反應(yīng)物混合均勻，增大反應(yīng)速率，提高反應(yīng)產(chǎn)率．
（5）在步驟IV中生成了LiFePO₄、CO₂和H₂O，則氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為24：1．
（6）H₃PO₄是三元酸，圖2是溶液中含磷微粒的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（δ）隨pH變化示意圖．則PO₄^2-第一步水解的水解常數(shù)K₁的表達(dá)式為$\frac{c（O{H}^{-}）c（HP{{O}_{4}}^{2-}）}{c（P{{O}_{4}}^{3-}）}$，K₁的數(shù)值最接近B   （填字母）．
A.10^-12.4                 B.10^-1.6                  C.10^-7.2                        D.10^-4.2．

Answer 1

分析 磷酸和硝酸鐵溶液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液PH值2-3目的是生成磷酸鐵，過濾、洗滌、干燥得到FePO₄•xH₂O，加入葡萄糖和磷酸鋰研磨、干燥在有氬氣的裝置中高溫煅燒得到LiFePO₄，
（1）pH＞3.0，生成氫氧化鐵沉淀；
（2）沉淀表面沾有硝酸根離子、銨根離子和氫離子等；
（3）圖表中固體失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值=$\frac{19.9%+20.1%+20.0%}{3}$=20.0%，結(jié)合化學(xué)式計(jì)算；
（4）步驟III中研磨的作用是充分混合物質(zhì)增大接觸面積；
（5）在步驟IV中生成了LiFePO₄、CO₂和H₂O，寫出化學(xué)方程式配平后結(jié)合電子守恒計(jì)算；
（6）H₃PO₄是三元酸，則PO₄^2-第一步水解的離子方程式為：PO₄^3-+H₂O?HPO₄^2-+OH^-，據(jù)此寫出水解常數(shù)K₁的表達(dá)式，結(jié)合圖象計(jì)算K₁．

解答 解：磷酸和硝酸鐵溶液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液PH值2-3目的是生成磷酸鐵，過濾、洗滌、干燥得到FePO₄•xH₂O，加入葡萄糖和磷酸鋰研磨、干燥在有氬氣的裝置中高溫煅燒得到LiFePO₄，
（1）步驟I中pH的控制是關(guān)鍵．如果pH＜1.9，F(xiàn)e³⁺沉淀不完全，影響產(chǎn)量；如果pH＞3.0，則可能存在的問題是：生成Fe（OH）₃雜質(zhì)，影響磷酸鐵的純度，
故答案為：生成Fe（OH）₃雜質(zhì)，影響磷酸鐵的純度；
（2）步驟II中，洗滌是為了除去FePO₄•xH₂O表面附著的NO₃^-、NH₄⁺、H⁺，
故答案為：NO₃^-、NH₄⁺、H⁺；
（3）圖表中固體失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值=$\frac{19.9%+20.1%+20.0%}{3}$=20.0%，$\frac{18x}{151+18x}$×100%=20%，
x=2.1，
故答案為：2.1；
（4）步驟III中研磨的作用使反應(yīng)物混合均勻，增大反應(yīng)速率，提高反應(yīng)產(chǎn)率，
故答案為：使反應(yīng)物混合均勻，增大反應(yīng)速率，提高反應(yīng)產(chǎn)率；
（5）在步驟IV中生成了LiFePO₄、CO₂和H₂O，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：24FePO₄+C₆H₁₂O₆+12Li₂CO₃=24LiFePO₄+18CO₂+6H₂O，則氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為24：1，
故答案為：24：1；
（6）H₃PO₄是三元酸，則PO₄^2-第一步水解的離子方程式為：PO₄^3-+H₂O?HPO₄^2-+OH^-，水解常數(shù)K₁的表達(dá)式=$\frac{c（O{H}^{-}）c（HP{{O}_{4}}^{2-}）}{c（P{{O}_{4}}^{3-}）}$，圖象中可知c（PO₄^3-）=c（HPO₄^2-）時(shí)，PH=12.4，則c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-12.4}}$=10^-1.6mol/L，故選B，
故答案為：$\frac{c（O{H}^{-}）c（HP{{O}_{4}}^{2-}）}{c（P{{O}_{4}}^{3-}）}$；B．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離提純、物質(zhì)性質(zhì)、除雜方法和離子判斷、平衡常數(shù)計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．