Question

9．LiFePO₄用于锂离子二次电池的电极材料，可由LiI和FePO₄制备．
（1）FePO₄难溶于水，制备方法如下：
Ⅰ．用稍过量的稀H₂SO₄溶解废铁屑，加热，搅拌，过滤；
Ⅱ．向滤液中加入一定量的H₂O₂；
Ⅲ．向含Fe³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，过滤后经进一步处理得FePO₄．
①Ⅰ中反应进行完全的现象是不再产生气泡．
②用离子方程式说明H₂O₂的作用是2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O．
③已知：H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺；HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺．
产生FePO₄的离子方程式是Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄^-．
④Na₂HPO₄溶液显碱性的原因是由于HPO₄^2-可以电离：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于电离程度，所以溶液溶解显碱性．
（2）制备LiFePO₄：将FePO₄与LiI混合，在惰性气氛中加热，制得LiFePO₄．化合物LiI中碘离子的作用是作还原剂．
（3）锂离子二次电池的负极材料为金属锂和石墨的复合材料（石墨作为金属锂的载体），电池反应为：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充电}^{放电}$LiFePO₄（s），装置如图：
①该电池不能用电解质水溶液，原因是金属Li可与水发生反应（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑）．
②充电时，b极的电极反应式是LiFePO₄-e^-=Li⁺+FePO₄．

Answer 1

分析 （1）用稍过量的稀H₂SO₄溶解废铁屑，滤液中主要溶质为FeCl₂，向滤液中加入过氧化氢将亚铁离子氧化成Fe³⁺，向含Fe³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，过滤后经进一步处理得FePO₄．
①稀H₂SO₄溶解废铁屑时，有氢气产生；
②向滤液中加入过氧化氢将亚铁离子氧化成Fe³⁺，过氧化氢被还原为水；
③向含Fe³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，Fe³⁺消耗PO₄^3-，使平衡HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺右移，氢离子浓度增大，使平衡H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺左移，则溶液中H₂PO₄^-浓度增大；
④Na₂HPO₄溶液显碱性的原因是水解程度大于电离程度；
（2）铁元素的化合价从+3价降到+2价，得到电子，说明化合物LiI中碘离子失去电子作还原剂；
（3）①金属Li可与水发生反应（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑），故应为非水材料，
②根据锂离子电池的电池反应式为：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充电}^{放电}$LiFePO₄（s），可知，放电时，Li的化合价升高，被氧化，a为原电池的负极，充电时，反应逆向进行，b为阳极，阳极上失电子发生氧化反应，电极反应式为LiFePO₄-e^-═Li⁺+FePO₄．

解答 解：（1）用稍过量的稀H₂SO₄溶解废铁屑，滤液中主要溶质为FeCl₂，向滤液中加入过氧化氢将亚铁离子氧化成Fe³⁺，向含Fe³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，过滤后经进一步处理得FePO₄．
①稀H₂SO₄溶解废铁屑时，有氢气产生，当反应完全时，则不再产生气泡，
故答案为：不再产生气泡；
②向滤液中加入过氧化氢将亚铁离子氧化成Fe³⁺，过氧化氢被还原为水，离子方程式为：2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O；
③向含Fe³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，Fe³⁺消耗PO₄^3-，使平衡HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺右移，氢离子浓度增大，使平衡H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺左移，则溶液中H₂PO₄^-浓度增大，产生FePO₄的离子方程式是：Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄，
故答案为：Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄；
④Na₂HPO₄溶液显碱性的原因是由于HPO₄^2-可以电离：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于电离程度，所以溶液溶解显碱性，
故答案为：由于HPO₄^2-可以电离：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于电离程度，所以溶液溶解显碱性；
（2）将FePO₄与LiI混合，在惰性气氛中加热，制得LiFePO₄，铁元素的化合价从+3价降到+2价，得到电子，说明化合物LiI中碘离子失去电子作还原剂，
故答案为：还原剂；
（3）①金属Li可与水发生反应（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑），故应为非水材料，
故答案为：金属Li可与水发生反应（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑）；
②根据锂离子电池的电池反应式为：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充电}^{放电}$LiFePO₄（s），可知，放电时，Li的化合价升高，被氧化，a为原电池的负极，负极的电极反应式：Li-e^-=Li⁺；充电时，反应逆向进行，b为阳极，阳极上失电子发生氧化反应，电极反应式为LiFePO₄-e^-═Li⁺+FePO₄，
故答案为：LiFePO₄-e^-=Li⁺+FePO₄．

点评 本题考查物质制备，原电池、电解池原理的分析判断，主要是过程分析判断，化学方程式和离子方程式的书写应用，从化合价变化的角度分析，注意把握Li的化学性质，掌握物质性质是解题关键，题目难度中等．