Question

锂离子电池的应用很广，一种利用钛铁矿[主要成分为偏钛酸亚铁（FeTiO₃），含有少量Fe₂O₃]制取钛白粉（TiO₂）和利用其副产物制取锂离子电池的正极材料（LiFePO₄）的工艺流程如下（部分条件未给出）。

（1）FeTiO₃中Ti的化合价为______；在“还原”步骤中，还原“Fe³⁺”的反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为__________。

（2）FeSO₄溶解度与温度关系如下表，

温度（℃）	30	20	l5	l0	5	0	-2	-6
FeSO4 （g/L）	240	190	130	117	95	79	59	38

则操作I 的名称为_______、过滤。

（3）“转化” 步骤中对溶液进行加热的主要目的是_____________。

（4）写出“沉铁”的离子反应方程式___________，为使Fe³⁺完全沉降，则PO₄^3-的浓度至少应为___________（己知：Ksp (FePO₄· 2H₂O) = 9.91×10^-16）。

（5）流程中可循环利用的物质是（H₂O除外）______，写出固相焙烧的反应方程式______。

（6）某锂离子充放电时，正极发生LiFePO₄与FePO₄的转化，当充电时，电池负极发生的

反应为6C+xLi⁺+xe^-=Li_xC6，写出放电时电池反应方程式______________。

Answer

+4 2:1 蒸发浓缩 冷却结晶 加快和促进水解 2Fe2++H2O2+2H3PO4=2FePO4+2H2O+4H+；9.91×10-11mol/L H2SO4 2FePO4+Li2CO3+2C2LiFePO4+3CO↑ xFePO4+LixC6=6C+xLiFePO4

【解析】考查化学工艺流程，（1）FeTiO3为偏钛酸亚铁，其中O显－2价，Fe显＋2价，整个化合价代数和为0，即Ti的价态为＋4价；发生的反应是Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋，Fe作还原剂，Fe3＋作氧化剂，因此氧化剂和还原剂的物质的量之比为2：1；（2）根据表格数据，FeSO4受温度的影响较大，操作I得到溶液和绿矾，绿矾是FeSO4·7H2O，因此采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，进行分离；（3）TiOSO4转化成TiO(OH)2，发生的是水解反应，水解反应是吸热反应，加热促进水解，因此加热的目的是加快和促进水解；（4）考查氧化还原反应方程式的书写和溶度积的计算，根据流程，“沉铁”加入的物质是绿矾、H2O2和H3PO4，产物是FePO4，说明利用H2O2的氧化性把Fe2＋氧化成Fe3＋，本身被还原成H2O，因此有Fe2＋＋H2O2＋H3PO4→FePO4↓＋H2O，利用化合价升降法进行配平，即2Fe2＋＋H2O2＋2H3PO4→2FePO4↓＋H2O，离子反应方程式要求反应前后所带电荷数相等，即生成物中有H＋，因此离子反应方程式为即2Fe2＋＋H2O2＋2H3PO4=2FePO4↓＋2H2O＋4H＋；Fe3＋完全沉淀，此时c(Fe3＋)=10－5mol·L－1，c(Fe3＋)×c(PO43－)=Ksp，因此c(PO43－)=Ksp/c(Fe3＋)=9.91×10－16/10－5mol·L－1=9.91×10－11mol·L－1；（5）根据流程图，沉铁的离子反应方程式，循环利用的物质为H2O和H2SO4；焙烧加入的物质为FePO4、C、Li2CO3，产物是LiFePO4，因为C是过量的，因此产物还有CO，因此反应方程式为：2FePO4+Li2CO3+2C2LiFePO4+3CO↑；（6）电池充电时，电池的负极接电源的负极，电池的正极接电源的正极，则电池放电时负极反应式LixC6－xe－=6C＋xLi＋，正极反应式FePO4＋e－＋Li＋=LiFePO4，正极×x＋负极，因此总电极反应式为xFePO4+LixC6=6C+xLiFePO4。

点睛：本题难点是氧化还原反应方程式的书写和电极反应式的书写，如问题（4），找出参加反应的物质和生成物质，即Fe2＋＋H2O2＋H3PO4→FePO4↓＋H2O，Fe2＋化合价由＋2价→＋3价，化合价升高1价，H2O2中O由－1价→－2价，整体降低2价，最小公倍数为2，即2Fe2＋＋H2O2＋2H3PO4→2FePO4↓＋H2O，反应前后所带电荷数相等，说明生成物中有显正价的离子，即有H＋，然后进行配平；电极反应式的书写，电池充电时，电池的负极接电源的负极，电池的正极接电源的正极，充电时，电池负极的反应式应是电池放电时负极电极反应式逆过程，即负极反应式为LixC6－xe－=6C＋xLi＋，电池的正极上得电子，化合价降低，FePO4在正极上参与反应，转化成LiFePO4，进一步得到正极反应式，两式叠加得到电池总反应式。