
大单元二 综合与应用
高考特训6 常见金属化合物的制备
1. (2023·连云港)LiFePO4和FePO4可以作为锂离子电池的正极材料。
(1) LiFePO4的制备。在氮气的氛围中,将一定量的(NH4)2Fe(SO4)2溶液与H3PO4、LiOH溶液中的一种混合,然后加入三颈烧瓶中(如图),在搅拌下通过滴液漏斗缓慢滴加剩余的另一种溶液,充分反应后,过滤、洗涤、干燥得到粗产品。
① 滴液漏斗中的溶液是LiOH溶液。
② (NH4)2Fe(SO4)2与H3PO4、LiOH反应得到LiFePO4和NH4HSO4,该反应的离子方程式为Fe2++Li++OH-+H3PO4+2SO4(2-)===LiFePO4↓+H2O+2HSO4(-)[已知Ka(HSO4(-))=1.0×10-2]。
③ 在氮气氛围下,粗产品经150 ℃干燥、高温焙烧,即可得到锂离子电池的正极材料。焙烧时常向其中加入少量活性炭黑,其主要目的是改善成型后LiFePO4的导电性能。
(2) FePO4的制备。取一定量比例的铁粉、磷酸、水放入容器中,加热充分反应,向反应后的溶液中加入一定量H2O2,同时加入适量水调节pH,静置后过滤,洗涤,得到FePO4·2H2O,高温煅烧FePO4·2H2O,即可得到FePO4。
① 其他条件不变时,磷酸与水的混合比例对铁粉溶解速率的影响如图所示:
当3(1)≤()()VH2O(VH3PO4)≤2(1)时,随着水的比例增加,铁粉溶解速率迅速升高的原因是当3(1)≤()()VH2O(VH3PO4)≤2(1)时,随着水的比例增加,促进了H3PO4的电离,H+的量增多,同时反应放热也加快了反应速率。
② 为使反应过程中的Fe2+完全被H2O2氧化,下列操作控制能达到目的的是CD(填字母)。
A. 用Ca(OH)2调节溶液pH=7
B. 加热,使反应在较高温度下进行
C. 缓慢滴加H2O2溶液并搅拌
D. 加入适当过量的H2O2溶液
③ 将Fe2(SO4)3与Na2HPO4溶液混合可以得到FePO4·2H2O。设计以Fe2(SO4)3与Na2HPO4溶液为原料,补充完整制备FePO4·2H2O的实验方案:在搅拌下向Fe2(SO4)3溶液中缓慢加入Na2HPO4溶液,控制溶液的pH<2.7,充分反应后,向上层清液中继续加入Na2HPO4溶液不再产生沉淀,静置后过滤,用蒸馏水洗涤沉淀2~3次,取最后一次洗涤后的滤液,滴加盐酸酸化的BaCl2溶液,不再出现白色沉淀,干燥得到FePO4·2H2O[实验中必须使用的试剂:盐酸、BaCl2溶液,Fe(OH)3开始沉淀的pH=2.7]。
【解析】 (1) ① (NH4)2Fe(SO4)2能与LiOH溶液反应,故滴液漏斗中应盛放LiOH溶液。③ 活性炭能导电,焙烧时向LiFePO4中加入少量活性炭黑的目的是改善成型后LiFePO4的导电性能。(2) ① 磷酸是三元中强酸,在溶液中分步电离出H+,向磷酸中加水,H+的量增多,反应速率增大,且反应放出热量使温度升高,反应速率加快。② 用氢氧化钙调节溶液pH为7,会使Fe2+转化为沉淀,不利于Fe2+氧化,A错误;加热促进过氧化氢分解,不利于Fe2+氧化,B错误;缓慢滴加过氧化氢溶液并搅拌可以使反应物的接触充分,有利于Fe2+氧化,C正确;加入适当过量的过氧化氢溶液,有利于Fe2+氧化,D正确。③ 向硫酸铁溶液中缓慢加入磷酸氢二钠溶液,控制溶液的pH小于2.7,防止Fe3+生成氢氧化铁沉淀;充分反应后,向上层清液中继续加入磷酸氢二钠溶液至不再产生沉淀,保证Fe3+沉淀完全;静置后过滤,用蒸馏水洗涤沉淀2~3次,取最后一次洗涤后的滤液,滴加盐酸酸化的氯化钡溶液,不再出现白色沉淀,说明沉淀洗涤干净。