Question

9．LiFePO₄用于鋰離子二次電池的電極材料，可由LiI和FePO₄制備．
（1）FePO₄難溶于水，制備方法如下：
Ⅰ．用稍過量的稀H₂SO₄溶解廢鐵屑，加熱，攪拌，過濾；
Ⅱ．向?yàn)V液中加入一定量的H₂O₂；
Ⅲ．向含F(xiàn)e³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，過濾后經(jīng)進(jìn)一步處理得FePO₄．
①Ⅰ中反應(yīng)進(jìn)行完全的現(xiàn)象是不再產(chǎn)生氣泡．
②用離子方程式說明H₂O₂的作用是2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O．
③已知：H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺；HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺．
產(chǎn)生FePO₄的離子方程式是Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄^-．
④Na₂HPO₄溶液顯堿性的原因是由于HPO₄^2-可以電離：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于電離程度，所以溶液溶解顯堿性．
（2）制備LiFePO₄：將FePO₄與LiI混合，在惰性氣氛中加熱，制得LiFePO₄．化合物L(fēng)iI中碘離子的作用是作還原劑．
（3）鋰離子二次電池的負(fù)極材料為金屬鋰和石墨的復(fù)合材料（石墨作為金屬鋰的載體），電池反應(yīng)為：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充電}^{放電}$LiFePO₄（s），裝置如圖：
①該電池不能用電解質(zhì)水溶液，原因是金屬Li可與水發(fā)生反應(yīng)（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑）．
②充電時(shí)，b極的電極反應(yīng)式是LiFePO₄-e^-=Li⁺+FePO₄．

Answer 1

分析 （1）用稍過量的稀H₂SO₄溶解廢鐵屑，濾液中主要溶質(zhì)為FeCl₂，向?yàn)V液中加入過氧化氫將亞鐵離子氧化成Fe³⁺，向含F(xiàn)e³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，過濾后經(jīng)進(jìn)一步處理得FePO₄．
①稀H₂SO₄溶解廢鐵屑時(shí)，有氫氣產(chǎn)生；
②向?yàn)V液中加入過氧化氫將亞鐵離子氧化成Fe³⁺，過氧化氫被還原為水；
③向含F(xiàn)e³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，F(xiàn)e³⁺消耗PO₄^3-，使平衡HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺右移，氫離子濃度增大，使平衡H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺左移，則溶液中H₂PO₄^-濃度增大；
④Na₂HPO₄溶液顯堿性的原因是水解程度大于電離程度；
（2）鐵元素的化合價(jià)從+3價(jià)降到+2價(jià)，得到電子，說明化合物L(fēng)iI中碘離子失去電子作還原劑；
（3）①金屬Li可與水發(fā)生反應(yīng)（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑），故應(yīng)為非水材料，
②根據(jù)鋰離子電池的電池反應(yīng)式為：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充電}^{放電}$LiFePO₄（s），可知，放電時(shí)，Li的化合價(jià)升高，被氧化，a為原電池的負(fù)極，充電時(shí)，反應(yīng)逆向進(jìn)行，b為陽(yáng)極，陽(yáng)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO₄-e^-═Li⁺+FePO₄．

解答 解：（1）用稍過量的稀H₂SO₄溶解廢鐵屑，濾液中主要溶質(zhì)為FeCl₂，向?yàn)V液中加入過氧化氫將亞鐵離子氧化成Fe³⁺，向含F(xiàn)e³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，過濾后經(jīng)進(jìn)一步處理得FePO₄．
①稀H₂SO₄溶解廢鐵屑時(shí)，有氫氣產(chǎn)生，當(dāng)反應(yīng)完全時(shí)，則不再產(chǎn)生氣泡，
故答案為：不再產(chǎn)生氣泡；
②向?yàn)V液中加入過氧化氫將亞鐵離子氧化成Fe³⁺，過氧化氫被還原為水，離子方程式為：2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=2Fe³⁺+2H₂O；
③向含F(xiàn)e³⁺的溶液加入Na₂HPO₄溶液，F(xiàn)e³⁺消耗PO₄^3-，使平衡HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺右移，氫離子濃度增大，使平衡H₂PO₄^-?HPO₄^2-+H⁺左移，則溶液中H₂PO₄^-濃度增大，產(chǎn)生FePO₄的離子方程式是：Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄，
故答案為：Fe³⁺+2HPO₄^2-=FePO₄↓+H₂PO₄；
④Na₂HPO₄溶液顯堿性的原因是由于HPO₄^2-可以電離：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于電離程度，所以溶液溶解顯堿性，
故答案為：由于HPO₄^2-可以電離：HPO₄^2-?PO₄^3-+H⁺，又可以水解：HPO₄^2-+H₂O?H₂PO₄^-+OH^-，且水解程度大于電離程度，所以溶液溶解顯堿性；
（2）將FePO₄與LiI混合，在惰性氣氛中加熱，制得LiFePO₄，鐵元素的化合價(jià)從+3價(jià)降到+2價(jià)，得到電子，說明化合物L(fēng)iI中碘離子失去電子作還原劑，
故答案為：還原劑；
（3）①金屬Li可與水發(fā)生反應(yīng)（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑），故應(yīng)為非水材料，
故答案為：金屬Li可與水發(fā)生反應(yīng)（或2Li+2H₂O=2LiOH+H₂↑）；
②根據(jù)鋰離子電池的電池反應(yīng)式為：FePO₄（s）+Li（s）$?_{充電}^{放電}$LiFePO₄（s），可知，放電時(shí)，Li的化合價(jià)升高，被氧化，a為原電池的負(fù)極，負(fù)極的電極反應(yīng)式：Li-e^-=Li⁺；充電時(shí)，反應(yīng)逆向進(jìn)行，b為陽(yáng)極，陽(yáng)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO₄-e^-═Li⁺+FePO₄，
故答案為：LiFePO₄-e^-=Li⁺+FePO₄．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)制備，原電池、電解池原理的分析判斷，主要是過程分析判斷，化學(xué)方程式和離子方程式的書寫應(yīng)用，從化合價(jià)變化的角度分析，注意把握Li的化學(xué)性質(zhì)，掌握物質(zhì)性質(zhì)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．