Question

10．钛铁矿的主要成分为FeTiO₃（可表示为FeO•TiO₂）．用浓盐酸溶解钛铁矿去渣得溶液（含有Fe²⁺、TiOCl₄^2-等），调节溶液的pH并加热，过滤的TiO₂和滤液．控制反应温度在95℃左右，向滤液中加入H₂O₂和NH₄H₂PO₄得到FePO₄．再将FePO₄与Li₂CO₃和H₂C₂O₄一起煅烧，可制取LiFePO₄．有关数据如下表所示：

化合物	Fe（OH）2	Fe（OH）3	FePO4	Fe3（PO4）2
Ksp近似值	10-17	10-38	10-22	10-36

（1）FeTiO₃中Ti的化合价为+4，盐酸与FeTiO₃反应的离子方程式为FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O．检验溶液中Fe²⁺的方法是先滴加KSCN溶液，不显血红色，再加入过氧化氢，溶液显血红色．
（2）为提供FePO₄的产率，根据上述制备方法和表中数据，应采取的正确措施是d（填正确答案的标号）．
a．不加H₂O₂ b．调节溶液pH至5 c．降低反应温度 d．增大NH₄H₂PO₄的用量
（3）磷的含氧酸H₃PO₂与足量的NaOH溶液反应，生成NaH₂PO₂．则H₃PO₂为一元酸；在LiFePO₄中的化学键有离子键、共价键，在制备LiFePO₄的过程中加入H₂C₂O₄的作用是还原FePO₄．
（4）LiFePO₄可作锂电池的电极材料．充电时，Li⁺从LiFePO₄晶格中迁移出来，部分LiFePO₄转化为Li_1-xFePO₄，则阳极的电极反应式为LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺．
（5）电化学还原TiO₂是获取金属钛的常用方法．采用熔融盐作电解质，用石墨作阳极，总反应为TiO₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Ti+O₂↑
①电解过程中，阳极不断被消耗而需要定期更换，其原因是2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂（用反应式表示）．
②电解由含80%FeTiO₃的钛铁矿制取的TiO₂得到12kg金属钛，已知电流效率为76%，则至少需要该种钛铁矿62.5kg．（电流效率=$\frac{实际产量}{理论产量}$×100%）

Answer 1

分析 （1）根据化合物中各元素化合价代数和为零分析，可以判断钛元素化合价为+4价；钛铁矿的主要成分为钛酸亚铁（FeTiO₃），根据流程可知，钛酸亚铁与稀盐酸反应生成了水和FeTiOCl₄；KSCN与Fe³⁺作用使溶液显血红色，与Fe²⁺作用无此现象，依此进行分析判断；
（2）向滤液中加入H₂O₂和NH₄H₂PO₄得到FePO₄，过氧化氢氧化亚铁离子，与磷酸根离子形成沉淀，据此分析应采取的正确措施，物质的Ksp越小，越容易形成沉淀；
（3）磷的含氧酸H₃PO₂与足量的NaOH溶液反应，生成NaH₂PO₂，NaH₂PO₂为正盐，H₃PO₂为一元酸；一般来说，金属元素与非金属元素形成离子键，同种非金属元素之间形成极性共价键，不同非金属元素之间形成极性共价键；H₂C₂O₄中的碳为+3价，具有还原性；
（4）充电时，为电解池，阳极LiFePO₄发生氧化反应；
（5）①用石墨做阳极，碳不断被生成的氧气氧化；②根据钛元素质量守恒计算至少需要该种钛铁矿的质量．

解答 解：（1）钛铁矿的主要成分为FeTiO₃（可表示为FeO•TiO₂），铁的化合价为+2价，氧元素的化合价为-2价，设钛元素的化合价为x，根据化合物中各元素化合价的代数和为零的规律，可得+2+x+（-2）×3=0；解之得x=+4，根据工艺流程可知，FeTiO₃与稀盐酸反应生成了水和FeTiOCl₄，反应的离子方程式为：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O，KSCN与Fe³⁺作用使溶液显红色，与Fe²⁺作用无此现象，故先滴加KSCN溶液，不显血红色，说明原溶液不含有Fe³⁺；再加入过氧化氢，溶液显血红色，说明溶液中有Fe³⁺生成，即过氧化氢氧化亚铁离子，说明原溶液中含有Fe²⁺，
故答案为：+4；FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O；先滴加KSCN溶液，不显血红色，再加入过氧化氢，溶液显血红色；
（2）a．FePO₄中的铁为+3价铁，加H₂O₂ 目的氧化亚铁离子且不引入新的杂质，不加H₂O₂ 无法氧化得不到FePO₄，故a不选；
b．Fe（OH）₃的K_sp=1×10^-38，要使溶液中的Fe³⁺沉淀完全，残留在溶液中的c（Fe³⁺）＜10^-5mol•L^-1；Ksp=c（Fe³⁺）c³（OH^-）=10^-5×c³（OH^-）=1×10^-38 c（OH^-）=1×10^-11mol/L，c（H⁺）=1×10^-3mol/L，即PH＞3即可形成沉淀，调节溶液pH至5，得到氢氧化铁沉淀，不利于FePO₄的生成，故b不选；
c．磷酸为中强酸，降低反应温，不利于NH₄H₂PO₄的电离，不利于FePO₄的生成，故c不选；
d．增大NH₄H₂PO₄的用量，增大磷酸根的浓度，有利于FePO₄的生成，故d选；
故答案为：d；
（3）磷的含氧酸H₃PO₂与足量的NaOH溶液反应，生成NaH₂PO₂，说明次磷酸中只能电离出一个氢离子，电离方程式为：H₃PO₂?H⁺+H₂PO₂^-，为一元强酸，在LiFePO₄中Li⁺、Fe²⁺，与PO₄^3-形成离子键，PO₄^3-中磷和氧形成共价键，H₂C₂O₄中的碳为+3价，在制备LiFePO₄的过程中加入H₂C₂O₄的作用是还原FePO₄，将+3价铁还原成+2价的铁，
故答案为：一；离子键、共价键；还原FePO₄；
（4）充电时，为电解池，根据部分LiFePO₄转化为Li_1-xFePO₄，可知阳极的电极反应式为：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺，
故答案为：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺；
（5）①电化学还原TiO₂，阳极发生：2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂，碳不断被生成的氧气氧化，因此电解过程中，阳极不断被消耗而需要定期更换，
故答案为：2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂；
②设至少需要该种钛铁矿质量为m，根据钛元素质量守恒，则$\frac{m×80%×1{0}^{3}g}{152g/mol}$×76%×48g/mol=12×10³g，解得m=6.25×10⁴g=62.5kg，
故答案为：62.5．

点评 本题考查了LiFePO₄的制取，涉及沉淀溶解平衡、电解池工作原理、化学方程式书写等知识，题目难度中等，注意掌握电解池工作原理，注意把握题中信息，能够正确提取题中信息，联系所学知识进行解答，试题充分培养了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．