Question

12．磷酸鐵（FePO₄•2H₂O）是合成磷酸鐵鋰的前驅(qū)體．以綠礬（FeSO₄•7H₂O）為原料合成磷酸鐵的流程如圖所示．

回答下列問(wèn)題：
（1）在溶解與酸化反應(yīng)器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$為1：3.5，其目的是：
①保證其pH=1.8；
②PO₄^3-過(guò)量有利于析出FePO₄，避免Fe³⁺以其它形式沉淀，提高FePO₄的純度
（2）氧化釜中Fe²⁺被氧化的離子方程式為2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
（3）在沉淀釜中加堿需控制溶液的pH≤2.2．
①pH偏大時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量較差，其原因?yàn)閜H過(guò)大時(shí)主要生成氫氧化鐵沉淀（已知K_sp（FePO₄）=1.3×10^-22，K_sp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39）
②生成FePO₄•2H₂O沉淀的離子方程式為Fe³⁺+H₃OP₄+2OH^-=FePO₄•2H₂O↓+H₂O
（4）陳化釜中陳化的目的是使小晶粒逐漸溶解，大晶粒逐漸長(zhǎng)大，提高沉淀的純度．
（5）合成磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）的步驟如下：
球磨罐中加入適量蒸餾水，再加入一定量的氫氧化鋰和一定量的蔗糖使其溶解，用醋酸調(diào)節(jié)pH到9.0，最后加入一定量的FePO₄•2H₂O，球磨7h，再經(jīng)干燥，在700℃和氮?dú)獾姆諊�下煅燒，最后得磷酸亞鐵鋰．已知：首先發(fā)生反應(yīng)C₁₂H₂₂O₁₁→12C+11H₂O．
①球磨的目的是減小FePO₄•2H₂O顆粒大小，有利于反應(yīng)物混合均勻．
②需在氮?dú)夥諊�下進(jìn)行反應(yīng)的原因是隔絕空氣，防止二價(jià)鐵被氧化．
③寫(xiě)出FePO₄生成LiFePO₄的化學(xué)方程式：2FePO₄+2LiOH+C$\frac{\underline{\;\;\;\;\;N_{2}\;\;\;\;\;}}{700℃}$2LiFePO₄+CO↑+2H₂O．
（6）若測(cè)得（5）得到的產(chǎn)品中n（Li）：n（Fe）：n（P）=0.8：1：1，則產(chǎn)品中$\frac{n（F{e}^{2+}）}{n（F{e}^{3+}）}$=4：1．

Answer 1

分析 綠礬用磷酸溶解和酸化，用過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，進(jìn)入氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，析出FePO₄•2H₂O沉淀，再經(jīng)過(guò)離心分離機(jī)分離，磷酸循環(huán)利用，經(jīng)過(guò)干燥粉碎得到產(chǎn)品，陳化釜中也是得到FePO₄•2H₂O，陳化過(guò)程是進(jìn)行提純．
（1）在溶解與酸化反應(yīng)器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$為1：3.5，其目的是：①保證其pH=1.8；②增大磷酸根的濃度，有利于析出FePO₄，避免Fe³⁺以其它形式沉淀；
（2）酸性條件下過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，同時(shí)生成水；
（3）①pH過(guò)大，會(huì)生成氫氧化鐵沉淀；
②加入氫氧化鈉與磷酸反應(yīng)生成磷酸鈉與水，磷酸根與鐵離子、水反應(yīng)生成FePO₄•2H₂O沉淀；
（4）使小晶粒逐漸溶解，大晶粒逐漸長(zhǎng)大，提高沉淀的純度；
（5）①球磨時(shí)晶體顆粒減小，有利于反應(yīng)物混合均勻；
②防止二價(jià)鐵被氧化；
③由題目信息，可知FePO₄與LiOH、C反應(yīng)生成LiFePO₄、CO與水；
（6）根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為0，結(jié)合原子數(shù)目關(guān)系列方程計(jì)算．

解答 解：綠礬用磷酸溶解和酸化，用過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，進(jìn)入氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，析出FePO₄•2H₂O沉淀，再經(jīng)過(guò)離心分離機(jī)分離，磷酸循環(huán)利用，經(jīng)過(guò)干燥粉碎得到產(chǎn)品，陳化釜中也是得到FePO₄•2H₂O，陳化過(guò)程是進(jìn)行提純．
（1）在溶解與酸化反應(yīng)器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$為1：3.5，其目的是：①保證其pH=1.8；②PO₄^3-過(guò)量有利于析出FePO₄，避免Fe³⁺以其它形式沉淀，提高FePO₄的純度，
故答案為：PO₄^3-過(guò)量有利于析出FePO₄，避免Fe³⁺以其它形式沉淀，提高FePO₄的純度；
（2）酸性條件下過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，同時(shí)生成水，反應(yīng)離子方程式為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（3）①pH過(guò)大時(shí)主要生成氫氧化鐵沉淀，產(chǎn)品的質(zhì)量較差，
故答案為：pH過(guò)大時(shí)主要生成氫氧化鐵沉淀；
②加入氫氧化鈉與磷酸反應(yīng)生成磷酸鈉與水，磷酸根與鐵離子、水反應(yīng)生成FePO₄•2H₂O沉淀，整個(gè)過(guò)程反應(yīng)方程式為：Fe³⁺+H₃OP₄+2OH^-=FePO₄•2H₂O↓+H₂O，
故答案為：Fe³⁺+H₃OP₄+2OH^-=FePO₄•2H₂O↓+H₂O；
（4）陳化釜中陳化的目的是：使小晶粒逐漸溶解，大晶粒逐漸長(zhǎng)大，提高沉淀的純度，
故答案為：使小晶粒逐漸溶解，大晶粒逐漸長(zhǎng)大，提高沉淀的純度；
（5）①球磨的目的是：減小FePO₄•2H₂O顆粒大小，有利于反應(yīng)物混合均勻，
故答案為：減小FePO₄•2H₂O顆粒大小，有利于反應(yīng)物混合均勻；
②需在氮?dú)夥諊�下進(jìn)行反應(yīng)的原因是：隔絕空氣，防止二價(jià)鐵被氧化，
故答案為：隔絕空氣，防止二價(jià)鐵被氧化；
③由題目信息，可知FePO₄與LiOH、C反應(yīng)生成LiFePO₄、CO與水，反應(yīng)方程式為：2FePO₄+2LiOH+C$\frac{\underline{\;\;\;\;\;N_{2}\;\;\;\;\;}}{700℃}$2LiFePO₄+CO↑+2H₂O，
故答案為：2FePO₄+2LiOH+C$\frac{\underline{\;\;\;\;\;N_{2}\;\;\;\;\;}}{700℃}$2LiFePO₄+CO↑+2H₂O；
（6）產(chǎn)品中n（Li）：n（Fe）：n（P）=0.8：1：1，
根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為0，可知0.8×1+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）=1×3，
而n（Fe²⁺）+n（Fe³⁺）=1，
聯(lián)立解得n（Fe²⁺）=0.8，n（Fe³⁺）=0.2，
故n（Fe²⁺）：n（Fe³⁺）=0.8：0.2=4：1，
故答案為：4：1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查屬于化學(xué)與技術(shù)，涉及物質(zhì)的制備、陌生方程式的書(shū)寫(xiě)、條件的控制、對(duì)操作的分析評(píng)價(jià)、物質(zhì)的提純等，側(cè)重對(duì)原理的分析、信息獲取與遷移運(yùn)用能力的考查．