Question

10．鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃（可表示為FeO•TiO₂）．用濃鹽酸溶解鈦鐵礦去渣得溶液（含有Fe²⁺、TiOCl₄^2-等），調節(jié)溶液的pH并加熱，過濾的TiO₂和濾液．控制反應溫度在95℃左右，向濾液中加入H₂O₂和NH₄H₂PO₄得到FePO₄．再將FePO₄與Li₂CO₃和H₂C₂O₄一起煅燒，可制取LiFePO₄．有關數(shù)據(jù)如下表所示：

化合物	Fe（OH）2	Fe（OH）3	FePO4	Fe3（PO4）2
Ksp近似值	10-17	10-38	10-22	10-36

（1）FeTiO₃中Ti的化合價為+4，鹽酸與FeTiO₃反應的離子方程式為FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O．檢驗溶液中Fe²⁺的方法是先滴加KSCN溶液，不顯血紅色，再加入過氧化氫，溶液顯血紅色．
（2）為提供FePO₄的產(chǎn)率，根據(jù)上述制備方法和表中數(shù)據(jù)，應采取的正確措施是d（填正確答案的標號）．
a．不加H₂O₂ b．調節(jié)溶液pH至5 c．降低反應溫度 d．增大NH₄H₂PO₄的用量
（3）磷的含氧酸H₃PO₂與足量的NaOH溶液反應，生成NaH₂PO₂．則H₃PO₂為一元酸；在LiFePO₄中的化學鍵有離子鍵、共價鍵，在制備LiFePO₄的過程中加入H₂C₂O₄的作用是還原FePO₄．
（4）LiFePO₄可作鋰電池的電極材料．充電時，Li⁺從LiFePO₄晶格中遷移出來，部分LiFePO₄轉化為Li_1-xFePO₄，則陽極的電極反應式為LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺．
（5）電化學還原TiO₂是獲取金屬鈦的常用方法．采用熔融鹽作電解質，用石墨作陽極，總反應為TiO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Ti+O₂↑
①電解過程中，陽極不斷被消耗而需要定期更換，其原因是2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂（用反應式表示）．
②電解由含80%FeTiO₃的鈦鐵礦制取的TiO₂得到12kg金屬鈦，已知電流效率為76%，則至少需要該種鈦鐵礦62.5kg．（電流效率=$\frac{實際產(chǎn)量}{理論產(chǎn)量}$×100%）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)化合物中各元素化合價代數(shù)和為零分析，可以判斷鈦元素化合價為+4價；鈦鐵礦的主要成分為鈦酸亞鐵（FeTiO₃），根據(jù)流程可知，鈦酸亞鐵與稀鹽酸反應生成了水和FeTiOCl₄；KSCN與Fe³⁺作用使溶液顯血紅色，與Fe²⁺作用無此現(xiàn)象，依此進行分析判斷；
（2）向濾液中加入H₂O₂和NH₄H₂PO₄得到FePO₄，過氧化氫氧化亞鐵離子，與磷酸根離子形成沉淀，據(jù)此分析應采取的正確措施，物質的Ksp越小，越容易形成沉淀；
（3）磷的含氧酸H₃PO₂與足量的NaOH溶液反應，生成NaH₂PO₂，NaH₂PO₂為正鹽，H₃PO₂為一元酸；一般來說，金屬元素與非金屬元素形成離子鍵，同種非金屬元素之間形成極性共價鍵，不同非金屬元素之間形成極性共價鍵；H₂C₂O₄中的碳為+3價，具有還原性；
（4）充電時，為電解池，陽極LiFePO₄發(fā)生氧化反應；
（5）①用石墨做陽極，碳不斷被生成的氧氣氧化；②根據(jù)鈦元素質量守恒計算至少需要該種鈦鐵礦的質量．

解答 解：（1）鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃（可表示為FeO•TiO₂），鐵的化合價為+2價，氧元素的化合價為-2價，設鈦元素的化合價為x，根據(jù)化合物中各元素化合價的代數(shù)和為零的規(guī)律，可得+2+x+（-2）×3=0；解之得x=+4，根據(jù)工藝流程可知，F(xiàn)eTiO₃與稀鹽酸反應生成了水和FeTiOCl₄，反應的離子方程式為：FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O，KSCN與Fe³⁺作用使溶液顯紅色，與Fe²⁺作用無此現(xiàn)象，故先滴加KSCN溶液，不顯血紅色，說明原溶液不含有Fe³⁺；再加入過氧化氫，溶液顯血紅色，說明溶液中有Fe³⁺生成，即過氧化氫氧化亞鐵離子，說明原溶液中含有Fe²⁺，
故答案為：+4；FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O；先滴加KSCN溶液，不顯血紅色，再加入過氧化氫，溶液顯血紅色；
（2）a．FePO₄中的鐵為+3價鐵，加H₂O₂ 目的氧化亞鐵離子且不引入新的雜質，不加H₂O₂ 無法氧化得不到FePO₄，故a不選；
b．Fe（OH）₃的K_sp=1×10^-38，要使溶液中的Fe³⁺沉淀完全，殘留在溶液中的c（Fe³⁺）＜10^-5mol•L^-1；Ksp=c（Fe³⁺）c³（OH^-）=10^-5×c³（OH^-）=1×10^-38 c（OH^-）=1×10^-11mol/L，c（H⁺）=1×10^-3mol/L，即PH＞3即可形成沉淀，調節(jié)溶液pH至5，得到氫氧化鐵沉淀，不利于FePO₄的生成，故b不選；
c．磷酸為中強酸，降低反應溫，不利于NH₄H₂PO₄的電離，不利于FePO₄的生成，故c不選；
d．增大NH₄H₂PO₄的用量，增大磷酸根的濃度，有利于FePO₄的生成，故d選；
故答案為：d；
（3）磷的含氧酸H₃PO₂與足量的NaOH溶液反應，生成NaH₂PO₂，說明次磷酸中只能電離出一個氫離子，電離方程式為：H₃PO₂?H⁺+H₂PO₂^-，為一元強酸，在LiFePO₄中Li⁺、Fe²⁺，與PO₄^3-形成離子鍵，PO₄^3-中磷和氧形成共價鍵，H₂C₂O₄中的碳為+3價，在制備LiFePO₄的過程中加入H₂C₂O₄的作用是還原FePO₄，將+3價鐵還原成+2價的鐵，
故答案為：一；離子鍵、共價鍵；還原FePO₄；
（4）充電時，為電解池，根據(jù)部分LiFePO₄轉化為Li_1-xFePO₄，可知陽極的電極反應式為：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺，
故答案為：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺；
（5）①電化學還原TiO₂，陽極發(fā)生：2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂，碳不斷被生成的氧氣氧化，因此電解過程中，陽極不斷被消耗而需要定期更換，
故答案為：2O^2--4e^-═O₂↑，C+O₂=CO₂；
②設至少需要該種鈦鐵礦質量為m，根據(jù)鈦元素質量守恒，則$\frac{m×80%×1{0}^{3}g}{152g/mol}$×76%×48g/mol=12×10³g，解得m=6.25×10⁴g=62.5kg，
故答案為：62.5．

點評 本題考查了LiFePO₄的制取，涉及沉淀溶解平衡、電解池工作原理、化學方程式書寫等知識，題目難度中等，注意掌握電解池工作原理，注意把握題中信息，能夠正確提取題中信息，聯(lián)系所學知識進行解答，試題充分培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．