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。
