Question

【题目】2019年诺贝尔化学奖授予锂离子电池的发明者，锂离子电池是目前应用广泛的一类电池。以钛铁矿(主要成分为FeTiO3，含有少量MgO、Fe2O3、SiO2等杂质)为原料，制备锂离子电池电极材料的工艺流程如图所示：

已知：①滤液1中含Ti微粒的主要存在形式为TiO2+；

②)Ksp(FePO4)=1.3×10-22、Ksp[Mg3(PO4)2]=1.0×10-24；溶液中某离子浓度小于等于10-5mol·L-1时，认为该离子沉淀完全。

请回答下列问题：

（1）滤渣1中主要成分的化学式为__。

（2）“结晶”温度需控制在70℃左右，若温度过高会导致的后果为__。

（3）“转化I”后所得溶液中c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若其中Fe3+沉淀完全，则溶液中c(PO43-)的范围为__。

（4）“煅烧I”反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为__。

（5）“转化II”中H2TiO3的转化率(α)与温度(T)的关系如图所示。T0℃时，一定时间内H2TiO3的转化率最高的原因为__。

（6）Li2Ti5O15中-1价与-2价O原子的数目之比为___。“煅烧II”反应中同时生成两种参与大气循环的气体，该反应的化学方程式为__。

（7）某锂离子电池放电时的电池反应为Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，则充电时阳极的电极反应式为__。

Answer 1

【答案】SiO2 TiO2+会提前水解而降低H2TiO3的产率，且使滤渣2中混有杂质 mol/L c(PO43-)<1.010-9mol/L 2：1 温度低于T0℃时，反应速率随温度升高而加快，H2TiO3的转化率升高，高于T0℃时后，双氧水分解和氨气的挥发导致反应速率减小，使H2TiO3的转化率降低 8:7 Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2 LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+

【解析】

铁矿石加入硫酸溶解过滤得到滤渣为二氧化硅，滤液1为MgCl2、FeCl3、TiOSO4，加铁粉与过量硫酸反应并调pH，滤液中TiO2+水解得到H2TiO3，加入过氧化氢和氨水、氢氧化锂溶液得到沉淀Li2Ti5O15，加入碳酸锂煅烧得到钛酸锂Li4Ti5O12，滤渣2加入过氧化氢氧化亚铁离子，加入磷酸得到沉淀磷酸铁，加入碳酸锂和草酸煅烧得到磷酸亚铁锂LiFePO4；据此分析解答。

（1）钛铁矿的成分中只有SiO2不溶于硫酸，滤渣1的成分为SiO2，故答案为：SiO2；

（2）“结晶”温度需控制在70℃左右，如果温度过高，TiO2+会提前水解而降低H2TiO3的产率，且使滤渣2中混有杂质，故答案为：TiO2+会提前水解而降低H2TiO3的产率，且使滤渣2中混有杂质；

（3）Fe3+刚好沉淀完全时，c(PO43-)==mol/L，要保证Fe3+沉淀完全，c(PO43-)应该 mol/L；c(Mg2+)=0.01mol·L-1，若刚好产生沉淀，c(PO43-)===1.010-9mol/L，而按题意分析应不能使镁离子沉淀，故c(PO43-)<1.010-9mol/L，故答案为： mol/L c(PO4span>3-)<1.010-9mol/L；

（4）“煅烧I”反应中氧化剂为FePO4，反应后被还原为LiFePO4，1mol氧化剂得到1mol电子；还原剂为H2C2O4，被氧化成CO2，1mol还原剂失去2mol电子，根据电子守恒，氧化剂与还原剂的物质的量比值为：2：1，故答案为：2：1；

（5）“转化II”中H2TiO3的转化率(α)与温度(T)的关系如图所示，温度低于T0℃时，反应速率随温度升高而加快，H2TiO3的转化率升高，高于T0℃时后，双氧水分解和氨气的挥发导致反应速率减小，使H2TiO3的转化率降低，所以T0℃时，一定时间内H2TiO3的转化率最高，故答案为：温度低于T0℃时，反应速率随温度升高而加快，H2TiO3的转化率升高，高于T0℃时后，双氧水分解和氨气的挥发导致反应速率减小，使H2TiO3的转化率降低；

（6）Li2Ti5O15中Li显+1价，Ti显+4价，根据代数和为零可算出15个O共显-22价，设-1价O数目为x，-2价O数目为y，有x+y=15；-x-2y=-22，算出x=8，y=7，-1价与-2价O原子的数目之比为8:7；“煅烧II”反应中同时生成的两种参与大气循环的气体应为O2和CO2,可写出化学方程式为：Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；故答案为：8:7；Li2Ti5O15+Li2CO3Li4Ti5O12+2O2+CO2；

（7）电池反应为Li1-xFePO4+LixC6=LiFePO4+6C，LixC6为负极，Li1-xFePO4为正极，充电时阳极反应应该是LiFePO4变为Li1-xFePO4，电极反应式为：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+，故答案为：LiFePO4-xe-= Li1-xFePO4+xLi+。