Question

Li₄Ti₅O₁₂和LiFePO₄都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，还含有少量MgO、SiO₂等杂质）来制备，工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如上图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为_____________。

（2）“酸浸”后，钛主要以形式存在，写出相应反应的离子方程式________。

（3）TiO₂·xH₂O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示：

分析40 ℃时TiO₂·xH₂O转化率最高的原因________。

（4）Li₂Ti₅O₁₅中Ti的化合价为+4，其中过氧键的数目为_______。

（5）若“滤液②”中，加入双氧水和磷酸（设溶液体积增加1倍），使恰好沉淀完全即溶液中，此时是否有沉淀生成？ ________（列式计算）。的Ksp分别为

（6）写出“高温煅烧②”中由制备的化学方程式___________。

Answer

100℃、2h，90℃、5h FeTiO3+ 4H++4Cl− = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O 低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加,超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化速率下降 4 Fe3+恰好沉淀完全时，c(PO43-)=mol·L−1=1.3×10–17 mol·L−1，

c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01 mol·L−1)3×(1.3×10–17 mol·L−1)2 =1.69×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑

【解析】

（1）观察题（1）中的图可以看出，浸出率为70%时有2个点满足，一个点为100、2h，另一个点为90、5h；

（2）反应物为FeTiO3，因为酸浸，故反应物应有H+，因生成物为TiOCl42-，根据原子守恒和电荷守恒配平该氧化还原反应；

（3）结合化学反应速率、双氧水和氨水受热不稳定的性质综合分析转化率。

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4，Li的化合价为+1，O的化合价为-2，过氧根（O22-）中氧元素显-1价，过氧键存在于-1价的O中，每2个之间存在1个过氧键，设该分子内过氧键的数目为x，根据化合物中各元素代数和为0分析作答；

（5）先根据Ksp[FePO4]计算出Fe3+恰好沉淀完全时，溶液中的PO43-的浓度，再结合Mg2+和PO43-的离子浓度商Qc[Mg3(PO4)2]与溶度积Ksp[Mg3(PO4)2]之间的大小关系，判断是否有沉淀生成；

（6）根据流程图知反应物为FePO4、Li2CO3、H2C2O4，生成物为LiFePO4，根据各元素化合价情况结合原子守恒规律分析作答；

（1）由图可知，铁的浸出率在70%时，所采用的实验条件是：利用盐酸在100下浸出2小时或利用盐酸90下浸出5小时，

故答案为：100℃、2h，90℃、5h；

（2）反应物为FeTiO3，因为酸浸，故反应物应有H+，因生成物为TiOCl42-，因此反应物中还应有Cl-，然后根据原子守恒和电荷守恒配平，得到离子方程式为FeTiO3+ 4H++4Cl− = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O,

答案为：FeTiO3+ 4H++4Cl− = Fe2++ TiOCl42-+ 2H2O；

（3）一方面，温度低于40时，随温度升高，化学反应速率加快，另一方面，温度高于40时，氨水挥发速率加快、双氧水分解速度加快，导致反应物浓度减小，结果转化率降低，

故答案为：低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加,超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化速率下降；

（4）Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4，Li的化合价为+1，O的化合价位-2价，过氧根（O22-）中氧元素显-1价，设过氧键的数目为x，根据正负化合价代数和为0，可得（+1）2+（+4）5+（-2）（15-2x）+（-1）2x = 0，解得x = 4，

故答案为：4；

（5）由Ksp[FePO4] = c(Fe3+)·c(PO43-)得，Fe3+恰好沉淀完全时，溶液中的PO43-的浓度c(PO43-) = mol/L= 1.310-17 mol/L，则Mg2+和PO43-离子浓度商Qc[Mg3(PO4)2] = c3(Mg2+)·c2(PO43-) = (0.01 mol/L)3(1.310-17)2 = 1.6910-40Ksp[Mg3(PO4)2]，故不会生成Mg3(PO4)2沉淀，

答案为：Fe3+恰好沉淀完全时，c(PO43-)=mol·L−1=1.3×10–17 mol·L−1，

c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01 mol·L−1)3×(1.3×10–17 mol·L−1)2 =1.69×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。

（6）根据流程图知反应物为FePO4、Li2CO3、H2C2O4，生成物为LiFePO4，各元素化合价情况为为，，，故Fe化合价降低，C化合价升高，可知产物之一为CO2，反应物有H原子，故产物有H2O，方程式为：2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑，

故答案为：2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。