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(diào)節(jié)溶液的pH并加熱，過(guò)濾的TiO₂和濾液．控制反應(yīng)溫度在95℃左右，向?yàn)V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(guān)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(jià)為+4，鹽酸與FeTiO₃反應(yīng)的離子方程式為FeTiO₃+4H⁺+4Cl^-=Fe²⁺+TiOCl₄^2-+2H₂O．檢驗(yàn)溶液中Fe²⁺的方法是先滴加KSCN溶液，不顯血紅色，再加入過(guò)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(yīng)采取的正確措施是d（填正確答案的標(biāo)號(hào)）．
a．不加H₂O₂ b．調(diào)節(jié)溶液pH至5 c．降低反應(yīng)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(yīng)，生成NaH₂PO₂．則H₃PO₂為一元酸；在LiFePO₄中的化學(xué)鍵有離子鍵、共價(jià)鍵，在制備LiFePO₄的過(guò)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(shí)，Li⁺從LiFePO₄晶格中遷移出來(lái)，部分LiFePO₄轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i_1-xFePO₄，則陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺．
（5）電化學(xué)還原TiO₂是獲取金屬鈦的常用方法．采用熔融鹽作電解質(zhì)，用石墨作陽(yáng)極，總反應(yīng)為T(mén)iO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Ti+O₂↑
①電解過(guò)程中，陽(yáng)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(yīng)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=$\frac{實(shí)際產(chǎn)量}{理論產(chǎn)量}$×100%）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)化合物中各元素化合價(jià)代數(shù)和為零分析，可以判斷鈦元素化合價(jià)為+4價(jià)；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(yīng)生成了水和FeTiOCl₄；KSCN與Fe³⁺作用使溶液顯血紅色，與Fe²⁺作用無(wú)此現(xiàn)象，依此進(jìn)行分析判斷；
（2）向?yàn)V液中加入H₂O₂和NH₄H₂PO₄得到FePO₄，過(guò)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(yīng)采取的正確措施，物質(zhì)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(yīng)，生成NaH₂PO₂，NaH₂PO₂為正鹽，H₃PO₂為一元酸；一般來(lái)說(shuō)，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(jià)鍵，不同非金屬元素之間形成極性共價(jià)鍵；H₂C₂O₄中的碳為+3價(jià)，具有還原性；
（4）充電時(shí)，為電解池，陽(yáng)極LiFePO₄發(fā)生氧化反應(yīng)；
（5）①用石墨做陽(yáng)極，碳不斷被生成的氧氣氧化；②根據(jù)鈦元素質(zhì)量守恒計(jì)算至少需要該種鈦鐵礦的質(zhì)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(jià)為+2價(jià)，氧元素的化合價(jià)為-2價(jià)，設(shè)鈦元素的化合價(jià)為x，根據(jù)化合物中各元素化合價(jià)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(yīng)生成了水和FeTiOCl₄，反應(yīng)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(wú)此現(xiàn)象，故先滴加KSCN溶液，不顯血紅色，說(shuō)明原溶液不含有Fe³⁺；再加入過(guò)氧化氫，溶液顯血紅色，說(shuō)明溶液中有Fe³⁺生成，即過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子，說(shuō)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(guò)氧化氫，溶液顯血紅色；
（2）a．FePO₄中的鐵為+3價(jià)鐵，加H₂O₂ 目的氧化亞鐵離子且不引入新的雜質(zhì)，不加H₂O₂ 無(wú)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(diào)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(qiáng)酸，降低反應(yīng)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(yīng)，生成NaH₂PO₂，說(shuō)明次磷酸中只能電離出一個(gè)氫離子，電離方程式為：H₃PO₂?H⁺+H₂PO₂^-，為一元強(qiáng)酸，在LiFePO₄中Li⁺、Fe²⁺，與PO₄^3-形成離子鍵，PO₄^3-中磷和氧形成共價(jià)鍵，H₂C₂O₄中的碳為+3價(jià)，在制備LiFePO₄的過(guò)程中加入H₂C₂O₄的作用是還原FePO₄，將+3價(jià)鐵還原成+2價(jià)的鐵，
故答案為：一；離子鍵、共價(jià)鍵；還原FePO₄；
（4）充電時(shí)，為電解池，根據(jù)部分LiFePO₄轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i_1-xFePO₄，可知陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺，
故答案為：LiFePO₄-xe^-═Li_1-xFePO₄+xLi⁺；
（5）①電化學(xué)還原TiO₂，陽(yáng)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(guò)程中，陽(yáng)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(shè)至少需要該種鈦鐵礦質(zhì)量為m，根據(jù)鈦元素質(zhì)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(diǎn)評(píng) 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(xué)方程式書(shū)寫(xiě)等知識(shí)，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(xué)知識(shí)進(jìn)行解答，試題充分培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力．