Question

一种利用钛铁矿制备Li₄Ti₅O₁₂的工艺流程如图：

已知：钛铁矿的主要成分是FeTiO₃(可表示为FeO·TiO₂)，还含有少量的MgO和SiO₂等杂质。

回答下列问题：

(1)酸浸时，要提高铁的浸出率可采取的措施是___(写出一条即可)。

(2)酸浸后的滤液①中钛主要以TiOCl₄^2-形式存在，则其水解生成TiO₂·xH₂O的离子方程式为___，加热水的目的是___。

(3)TiO₂·xH₂O沉淀与双氧水、氨水反应时，应将温度控制在50℃左右的原因是___。

(4)若将滤液②加热至一定温度后，再加入双氧水和磷酸，恰好使Mg^2＋沉淀完全[溶液中c(Mg^2＋)降至1.0×10^-5mol·L^-1]，此时溶液中=___。已知：此温度下，FePO₄、Mg₃(PO₄)₂的溶度积常数分别为1.5×10^-21、1.0×10^-23。

(5)高温煅烧时发生反应的化学反应方程式为___。

(6)某可充电的锂离子电池以Li₄Ti₅O₁₂为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li^＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为Li_xC＋Li₄Ti₅O₁₂=Li_(x-5)C＋Li₉Ti₅O₁₂，则充电时阴极电极反应式为___。

Answer

提高温度或将矿石粉粹或适当提高酸的浓度等 TiOCl42-+(x+1)H2O⇌TiO2·xH2O↓+2H++4Cl- 促进水解 提高反应速率，同时防止温度过高造成双氧水分解，氨水挥发 1.5×10-12 Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑ Li(x-5)C+5Li++5e-=LixC

【解析】

用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备Li4Ti5O12，由制备流程可知，加盐酸酸浸溶解，SiO2与盐酸不反应，过滤后的滤渣为SiO2，滤液①中含Mg2+、Fe2+、TiOCl42-，对滤液①加热发生水解反应TiOCl42-+(x+1)H2O⇌TiO2·xH2O↓+2H++4Cl-，水解后过滤，水解后的滤液②中含Mg2+、Fe2+，沉淀为TiO2•xH2O，向沉淀中加入氨水、双氧水和LiOH反应过滤后得到Li2Ti5O15，再与碳酸锂高温下发生反应Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑生成Li4Ti3O12，据此分析解答。

(1)酸浸时，要提高铁的浸出率可采取的措施是提高温度或将矿石粉粹或适当提高酸的浓度等；

(2)酸浸后的滤液①中钛主要以TiOCl42-形式存在，则其水解生成TiO2·xH2O的离子方程式为TiOCl42-+(x+1)H2O⇌TiO2·xH2O↓+2H++4Cl-，加热水的目的是促进水解；

(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应时，双氧水受热易分解，氨水受热易挥发，应将温度控制在50℃左右的原因是提高反应速率，同时防止温度过高造成双氧水分解，氨水挥发；

(4)若将滤液②加热至一定温度后，再加入双氧水和磷酸，恰好使Mg2＋沉淀完全[溶液中c(Mg2＋)降至1.0×10-5mol·L-1]，根据Ksp[Mg3(PO4)2]=c3(Mg2+)×c2(PO43-)，c(PO43-)==1.0×10-4mol·L-1，Ksp(FePO4)=c(Fe3+)×c(PO43-)，c(Fe3+) = =1.5×10-17 mol·L-1，此时溶液中==1.5×10-12；

(5)根据分析，高温煅烧时发生反应的化学反应方程式为Li2Ti5O11+Li2CO3Li4Ti5O12+CO2↑；

(6)某可充电的锂离子电池以Li4Ti5O12为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为LixC＋Li4Ti5O12=Li(x-5)C＋Li9Ti5O12，则充电时为电解池，是放电时的逆过程，充电时的总反应为：Li(x-5)C＋Li9Ti5O12LixC＋Li4Ti5O12，阴极上得电子，发生还原反应，电极反应式为Li(x-5)C+5Li++5e-=LixC。