Question

鈦鐵礦的主要成分為FeTiO₃（可表示為FeO·TiO₂），含有少量MgO、CaO、SiO₂等雜質。利用鈦鐵礦制備鋰離子電池電極材料（鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂和磷酸亞鐵鋰LiFePO₄）的工業流程如下圖所示：   

已知：FeTiO₃與鹽酸反應的離子方程式為：FeTiO₃＋4H⁺＋4Cl^-＝Fe²⁺＋TiOCl₄^2-＋2H₂O
（1）化合物FeTiO₃中鐵元素的化合價是       。
（2）濾渣A的成分是           。
（3）濾液B中TiOCl₄^2- 轉化生成TiO₂的離子方程式是                         。
（4）反應②中固體TiO₂轉化成(NH₄)₂Ti₅O₁₅溶液時，Ti元素的浸出率與反應溫度的關系如下圖所示。反應溫度過高時，Ti元素浸出率下降的原因是                    。

（5）反應③的化學方程式是                                                 。
（6）由濾液D制備LiFePO₄的過程中，所需17%雙氧水與H₂C₂O₄的質量比是      。
（7）若采用鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）和磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）作電極組成電池，其工作原理為：Li₄Ti₅O₁₂＋3LiFePO₄Li₇Ti₅O₁₂＋3FePO₄
該電池充電時陽極反應式是                                           。

Answer 1

（12分，每空2分）
（1）+2
（2）SiO₂
（3）TiOCl₄^2-＋H₂O TiO₂↓＋2H⁺＋4Cl^-
（4）溫度過高時，反應物氨水（或雙氧水）受熱易分解
（5） (NH₄)₂Ti₅O₁₅＋2LiOH＝Li₂Ti₅O₁₅↓＋2NH₃·H₂O（或2NH₃＋2H₂O）
（6）20/9（1分）
（7）LiFePO₄ – e^-＝FePO₄＋Li⁺（1分）

試題分析：（1）根據題目所給信息：可表示為FeO·TiO₂，可知Fe的化合價為：+2。
（2）FeTiO₃、MgO、CaO與HCl反應，剩下的固體只有SiO₂。
（3）過濾后未加其他反應物，所以TiOCl₄^2-與H₂O反應，生成TiO₂，同時生成H⁺、Cl?。
（4）TiOCl₄^2- 轉化為TiO₂時，需要加入反應物雙氧水、氨水，這兩種物質受熱易分解。
（5）(NH₄)₂Ti₅O₁₅為銨鹽，LiOH為強堿，發生復分解反應，根據反應規律，即可寫出化學方程式。
（6）分析反應流程，H₂O₂把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，H₂C₂O₄把Fe³⁺還原為Fe²⁺，H₂O₂中O由-1價變為-2價，H₂C₂O₄由+3價變為+4價，根據電子轉移總數相等得：m(H₂O₂)×17÷200g/mol×2=m(H₂C₂O₄)÷90g/mol×2，得m(H₂O₂)：m(H₂C₂O₄)= 20/9。
（7）電池充電時陽極反應為失電子反應，LiFePO₄中Fe失去1個電子，由+2價變為+3價，生成FePO₄，同時得到Li⁺。