Question

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

回答下列問題：
（1）在溶解與酸化反應器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$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，產品的質量較差，其原因為pH過大時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，用醋酸調節(jié)pH到9.0，最后加入一定量的FePO₄•2H₂O，球磨7h，再經干燥，在700℃和氮氣的氛圍下煅燒，最后得磷酸亞鐵鋰．已知：首先發(fā)生反應C₁₂H₂₂O₁₁→12C+11H₂O．
①球磨的目的是減小FePO₄•2H₂O顆粒大小，有利于反應物混合均勻．
②需在氮氣氛圍下進行反應的原因是隔絕空氣，防止二價鐵被氧化．
③寫出FePO₄生成LiFePO₄的化學方程式：2FePO₄+2LiOH+C$\frac{\underline{\;\;\;\;\;N_{2}\;\;\;\;\;}}{700℃}$2LiFePO₄+CO↑+2H₂O．
（6）若測得（5）得到的產品中n（Li）：n（Fe）：n（P）=0.8：1：1，則產品中$\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，用過氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，進入氫氧化鈉調節(jié)pH，析出FePO₄•2H₂O沉淀，再經過離心分離機分離，磷酸循環(huán)利用，經過干燥粉碎得到產品，陳化釜中也是得到FePO₄•2H₂O，陳化過程是進行提純．
（1）在溶解與酸化反應器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$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）酸性條件下過氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，同時生成水；
（3）①pH過大，會生成氫氧化鐵沉淀；
②加入氫氧化鈉與磷酸反應生成磷酸鈉與水，磷酸根與鐵離子、水反應生成FePO₄•2H₂O沉淀；
（4）使小晶粒逐漸溶解，大晶粒逐漸長大，提高沉淀的純度；
（5）①球磨時晶體顆粒減小，有利于反應物混合均勻；
②防止二價鐵被氧化；
③由題目信息，可知FePO₄與LiOH、C反應生成LiFePO₄、CO與水；
（6）根據化合價代數(shù)和為0，結合原子數(shù)目關系列方程計算．

解答 解：綠礬用磷酸溶解和酸化，用過氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，進入氫氧化鈉調節(jié)pH，析出FePO₄•2H₂O沉淀，再經過離心分離機分離，磷酸循環(huán)利用，經過干燥粉碎得到產品，陳化釜中也是得到FePO₄•2H₂O，陳化過程是進行提純．
（1）在溶解與酸化反應器中需控制$\frac{n（FeS{O}_{4}•7{H}_{2}O）}{n（{H}_{3}P{O}_{4}）}$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）酸性條件下過氧化氫將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，同時生成水，反應離子方程式為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（3）①pH過大時主要生成氫氧化鐵沉淀，產品的質量較差，
故答案為：pH過大時主要生成氫氧化鐵沉淀；
②加入氫氧化鈉與磷酸反應生成磷酸鈉與水，磷酸根與鐵離子、水反應生成FePO₄•2H₂O沉淀，整個過程反應方程式為：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，有利于反應物混合均勻，
故答案為：減小FePO₄•2H₂O顆粒大小，有利于反應物混合均勻；
②需在氮氣氛圍下進行反應的原因是：隔絕空氣，防止二價鐵被氧化，
故答案為：隔絕空氣，防止二價鐵被氧化；
③由題目信息，可知FePO₄與LiOH、C反應生成LiFePO₄、CO與水，反應方程式為：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）產品中n（Li）：n（Fe）：n（P）=0.8：1：1，
根據化合價代數(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．

點評 本題考查屬于化學與技術，涉及物質的制備、陌生方程式的書寫、條件的控制、對操作的分析評價、物質的提純等，側重對原理的分析、信息獲取與遷移運用能力的考查．