Question

钛铁矿的主要成分为FeTiO₃（可表示为FeO·TiO₂），含有少量MgO、CaO、SiO₂等杂质。利用钛铁矿制备锂离子电池电极材料（钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂和磷酸亚铁锂LiFePO₄）的工业流程如下图所示：

已知：FeTiO₃与盐酸反应的离子方程式为：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^—= Fe²⁺+ TiOCl₄^2—+2H₂O

（1）化合物FeTiO₃中铁元素的化合价是_______。

（2）滤渣A的成分是_______。

（3）滤液B中TiOCl₄^2－和水反应转化生成TiO₂的离子方程式是________________。

（4）反应②中固体TiO₂转化成（NH₄）₂Ti₅O₁₅ 溶液时，Ti元素的浸出率与反应温度的关系如图所示。反应温度过高时，Ti元素浸出率下降的原因___________。

（5）反应③的化学方程式是__________。

（6）由滤液D制备LiFePO₄的过程中，所需17%双氧水与H₂C₂O₄的质量比是_______。

（7）若采用钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）和磷酸亚铁锂（LiFePO₄）作电极组成电池，其工作原理为：

Li₄Ti₅O₁₂+ 3LiFePO₄Li₇Ti₅O₁₂+ 3FePO₄ 该电池充电时阳极反应式是：_______。

Answer

+2 SiO2 TiOCl42-+ H2OTiO2↓ + 2H++ 4Cl- 温度过高时，反应物氨水（或双氧水）受热易分解 （NH4）2Ti5O15+ 2 LiOH ＝ Li2Ti5O15↓ + 2NH3·H2O（或2NH3+2H2O） 20/9 LiFePO4– e—＝FePO4+ Li+

【解析】

（1）反应FeTiO3+4H++4Cl-=Fe2++TiOCl42-+2H2O中，不是非氧化还原反应，可以判断铁元素化合价为+2价，故答案为+2；

（2）由于杂质中二氧化硅不溶于盐酸，所以滤渣A成分是二氧化硅，故答案为SiO2；

（3）根据流程可知，TiOCl42-在溶液中加热与水反应生成二氧化钛沉淀，反应的离子方程式为：TiOCl42-+H2O=TiO2↓+2H++4Cl-，故答案为TiOCl42-+H2O=TiO2↓+2H++4Cl-；

（4）由于二氧化钛与氨水、双氧水反应生成NH4）2Ti5O15时，温度过高，双氧水和氨水都容易分解，所以反应温度过高时，Ti元素浸出率下降，故答案为温度过高时，反应物氨水（或双氧水）受热易分解；

（5）根据流程图示可知，反应3是（NH4）2Ti5O15与强氧化锂反应生成Li2Ti5O15沉淀和氨水，反应的化学方程式为：（NH4）2Ti5O15+2 LiOH=Li2Ti5O15↓+2NH3•H2O（或2NH3+2H2O），故答案为（NH4）2Ti5O15+2 LiOH=Li2Ti5O15↓+2NH3•H2O（或2NH3+2H2O）；

（6）根据电子守恒，氧化铁元素转移的电子就等于铁离子氧化草酸转移的电子数，

因此可得关系式：H2O2～H2C2O4，设双氧水质量为x，草酸质量为y，

34 90

x×17% y

34y=90×x×17%，x：y=20：9，

17%双氧水与H2C2O4的质量比为20：9，故答案为20：9；

（7）充电时，阳极发生氧化反应，LiFePO4失去电子生成FePO4，电极反应为：LiFePO4-e-=FePO4+Li+，故答案为LiFePO4-e-=FePO4+Li+。