Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了日本吉野彰等三人，以表彰他們對(duì)鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻(xiàn)。

（1）工業(yè)中利用鋰輝石（主要成分為LiAlSi2O6，還含有FeO、CaO、MgO等）制備鈷酸鋰(LiCoO2)的流程如圖：

回答下列問題：

①鋰輝石的主要成分為LiAlSi2O6，其氧化物的形式為___。

②為提高“酸化焙燒”效率，常采取的措施是___。

③向“浸出液”中加入CaCO3，其目的是除去“酸化焙燒”中過量的硫酸，控制pH使Fe3+、A13+完全沉淀，則pH至少為___。(已知：，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，Ksp[Al(OH)3]=1.0×10-33，完全沉淀后離子濃度低于1×l0-5)mol/L）。

④“濾渣2”的主要化學(xué)成分為___。

⑤“沉鋰”過程中加入的沉淀劑為飽和的___(化學(xué)式）溶液。

（2）利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出石墨烯電池，電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6LixC6+Li1-xCoO2其工作原理如圖2。下列關(guān)于該電池的說法正確的是___（填字母）。

A.過程1為放電過程

B.該電池若用隔膜可選用質(zhì)子交換膜

C.石墨烯電池的優(yōu)點(diǎn)是提高電池的儲(chǔ)鋰容量進(jìn)而提高能量密度

D.充電時(shí)，LiCoO2極發(fā)生的電極反應(yīng)為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2

E.對(duì)廢舊的該電池進(jìn)行“放電處理”讓Li+嵌入石墨烯中而有利于回收

（3）LiFePO4也是一種電動(dòng)汽車電池的電極材料，實(shí)驗(yàn)室先將綠礬溶解在磷酸中，再加入氫氧化鈉和次氯酸鈉溶液反應(yīng)獲得FePO4固體。再將FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應(yīng)即可獲得LiFePO4同時(shí)獲得兩種氣體。

①寫出FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應(yīng)溶液獲得LiFePO4的化學(xué)方程式___。

②LiFePO4需要在高溫下成型才能作為電極，高溫成型時(shí)要加入少量活性炭黑，其作用是___。

Answer 1

【答案】Li2OAl2O34SiO2 將礦石細(xì)磨、攪拌、升高溫度 4.7 Mg(OH)2和CaCO3 Na2CO3 CD 2LiOH+6H2C2O4+2FePO4=2LiFePO4+7CO2↑+5CO↑+7H2O 與空氣中的氧氣反應(yīng)，防止LiFePO4中的Fe2+被氧化

【解析】

鋰輝石(主要成分為LiAlSi2O6，還含有FeO、CaO、MgO等)為原料來制取鈷酸鋰(LiCoO2)，加入過量濃硫酸酸化焙燒鋰輝礦，之后加入碳酸鈣除去過量的硫酸，并使鐵離子、鋁離子沉淀完全，然后加入氫氧化鈣和碳酸鈉調(diào)節(jié)pH沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到主要含鋰離子的溶液，濾液蒸發(fā)濃縮得20%Li2S，加入碳酸鈉沉淀鋰離子生成碳酸鋰，洗滌后與Co3O4高溫下焙燒生成鈷酸鋰；

(1)①硅酸鹽改寫成氧化物形式的方法如下：a．氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活發(fā)金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以·隔開；b．各元素的化合價(jià)保持不變，且滿足化合價(jià)代數(shù)和為零，各元素原子個(gè)數(shù)比符合原來的組成；c、當(dāng)計(jì)量數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)時(shí)應(yīng)化為整數(shù)；鋰輝石的主要成分為LiAlSi2O6，根據(jù)方法，其氧化物的形式為Li2OAl2O34SiO2；

②流程題目中為提高原料酸侵效率，一般采用的方法有：減小原料粒徑(或粉碎)、適當(dāng)增加酸溶液濃度、適當(dāng)升高溫度、攪拌、多次浸取等；本題中為“酸化焙燒“，硫酸的濃度已經(jīng)最大，因此合理的措施為將礦石細(xì)磨、攪拌、升高溫度等；

③Al(OH)3的Ksp大于Fe(OH)3的Ksp，那么保證Al3+完全沉淀即可達(dá)到目的；已知Al(OH)3的Ksp=1×10-33，所以當(dāng)c(Al3+)=1×10-5mol/L時(shí)可認(rèn)為鋁離子和鐵離子完全沉淀，此時(shí) c(OH-)==mol/L=1×10-9.3mol/L，c(H+)=1×10-4.7mol/L，pH=4.7，即pH至少為4.7；

④根據(jù)分析可知濾渣2主要為Mg(OH)2和CaCO3；

⑤根據(jù)“沉鋰”后形成Li2CO3固體，以及大量生產(chǎn)的價(jià)格問題，該過程中加入的最佳沉淀劑為Na2CO3溶液；

(2)A．電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6LixC6+Li1-xCoO2，由此可知，放電時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)式為LixC6-xe-=xLi++C6，正極電極反應(yīng)式Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，石墨電極為放電時(shí)的負(fù)極，充電時(shí)的陰極，故A錯(cuò)誤；
B．該電池是利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性而制作，故B錯(cuò)誤；
C．石墨烯電池利用的是Li元素的得失電子，因此其優(yōu)點(diǎn)是在提高電池的儲(chǔ)鋰容量的基礎(chǔ)上提高了能量密度，故C正確；
D．充電時(shí)，LiCoO2極為陽極，將放電時(shí)的正極電極反應(yīng)式逆寫即可得陽極反應(yīng)，即LiCoO2極發(fā)生的電極反應(yīng)為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2，故D正確；；
E．根據(jù)鈷酸鋰的制備流程可知，對(duì)廢舊的該電池進(jìn)行“放電處理“讓Li+嵌入LiCoO2才有利于回收，故E錯(cuò)誤；

故答案為CD；

(3)①FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應(yīng)可獲得LiFePO4同時(shí)獲得兩種氣體，該過程中Fe3+被還原，根據(jù)元素價(jià)態(tài)變化規(guī)律可知應(yīng)是C元素被氧化，生成CO2，該種情況下只生成一種氣體，應(yīng)想到草酸不穩(wěn)定容易發(fā)生歧化反應(yīng)分解生成CO和CO2，即獲得的兩種氣體為CO和CO2，結(jié)合電子守恒和元素守恒可能方程式為：2LiOH+6H2C2O4+2FePO4=2LiFePO4+7CO2↑+5CO↑+7H2O；

②高溫條件下亞鐵離子容易被空氣中的氧氣氧化，活性炭黑具有還原性，可以防止LiFePO4中的Fe2+被氧化。