Question

Li₄Ti₅O₁₂和LiFePO₄都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿（主要成分为FeTiO₃，还含有少量MgO、SiO₂等杂质）来制备，工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为____________________________。

（2）“酸浸”后，钛主要以TiOCl₄^2-形式存在，写出相应反应的离子方程式____________________。

（3）TiO₂·xH₂O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示：

温度/℃	30	35	40	45	50
TiO2·xH2O转化率/%	92	95	97	93	88

分析40℃时TiO₂·xH₂O转化率最高的原因_______________________________________。

（4）Li₂Ti₅O₁₅中Ti的化合价为+4，其中过氧键的数目为___________。

（5）若“滤液②”中c(Mg²⁺)=0.02 mol/L，加入双氧水和磷酸（设溶液体积增加1倍），使Fe³⁺恰好沉淀完全即溶液中c(Fe³⁺)=1.0×10^-5 mol/L，此时是否有Mg₃(PO₄)₂沉淀生成______________（列式计算）。FePO₄、Mg₃(PO₄)₂的Ksp分别为1.3×10^-22、1.0×10^-24。

（6）写出“高温煅烧②”中由FePO₄制备LiFePO₄的化学方程式____________。

Answer

100℃、2h，90℃，5h FeTiO3+ 4H++4Cl− = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O 低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降 4 Fe3+恰好沉淀完全时，c(PO43-)=mol·L−1=1.3×10–17 mol·L−1，c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01)3×(1.3×10–17)2=1.7×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑

【解析】（1）由图示可知，“酸浸”时铁的净出率为70%时所需要的时间最短，速率最快，则应选择在100℃、2h，90℃，5h下进行；

（2）“酸浸”时用盐酸溶解FeTiO3生成TiOCl42−时，发生反应的离子方程式为FeTiO3+4H++4Cl−＝Fe2++ TiOCl42− + 2H2O；

（3）温度是影响速率的主要因素，但H2O2在高温下易分解、氨水易挥发，即原因是低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降；

（4）Li2Ti5O15中Li为+1价，O为-2价，Ti为+4价，过氧根(O22-)中氧元素显-1价，设过氧键的数目为x，根据正负化合价代数和为0，可知(+1)×2+(+4)×5+(-2)×(15-2x)+(-1)×2x=0，解得：x=4；

（5）Ksp[FePO4]=c(Fe3+)×c(PO43-)=1.3×10-2，则c(PO43-)＝＝1.3×10-17mol/L，Qc[Mg3(PO4)2]＝c3(Mg2+)×c2(PO43-)＝(0.01)3×(1.3×10-17)2=1.69×10-40＜1.0×10—34，则无沉淀。

（6）高温下FePO4与Li2CO3和H2C2O4混合加热可得LiFePO4，根据电子守恒和原子守恒可得此反应的化学方程式为2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。