Question

5．某種鋰離子電池的正極材料是將含有鈷酸鋰（LiCoO₂）的正極粉均勻涂覆在鋁箔上制成的，可以再生利用．某校研究小組嘗試回收廢舊正極材料中的鈷．
（1）25℃時(shí)，用圖1所示裝置進(jìn)行電解，有一定量的鈷以Co²⁺的形式從正極粉中浸出，且兩極均有氣泡產(chǎn)生，一段時(shí)間后正極粉與鋁箔剝離．

①陰極的電極反應(yīng)式為：LiCoO₂+4H⁺+e^-═Li⁺+Co²⁺+2H₂O、2H⁺+2e^-═H₂↑．陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O．
②該研究小組發(fā)現(xiàn)硫酸濃度對(duì)鈷的浸出率有較大影響，一定條件下，測(cè)得其變化曲線如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時(shí)，鈷的浸出率下降，其原因可能為H⁺與LiCoO₂在陰極的還原反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)c（H⁺）增大時(shí)，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降．
（2）電解完成后得到含Co²⁺的浸出液，且有少量正極粉沉積在電解槽底部．用以下步驟繼續(xù)回收鈷．

①寫(xiě)出“酸浸”過(guò)程中正極粉發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O．該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度不能太高的原因是防止H₂O₂劇烈分解．
②已知（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，下列關(guān)系中正確的是ac（填字母序號(hào)）．
a．c （NH₄⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c （H⁺）＞c （OH^-）
b．c （H⁺）+c （NH₄⁺）=c （OH^-）+c（HC₂O₄^-）+c（C₂O₄^2-）
c．c （NH₄⁺）+c （NH₃•H₂O）=2[c（C₂O₄^2-）+c（HC₂O₄^-）+c（H₂C₂O₄）]
（3）已知所用鋰離子電池的正極材料為x g，其中LiCoO₂（M=98g•mol^-1）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%，則回收后得到CoC₂O₄•2H₂O （M=183g•mol^-1）的質(zhì)量不高于$\frac{1.83ax}{98}$g．

Answer 1

分析 （1）①H⁺也會(huì)在陰極放電；陰離子在陽(yáng)極放電；
②如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時(shí)，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降；
（2）①“酸浸”過(guò)程中正極粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)，LiCoO₂氧化生成Co²⁺和O₂，方程式為2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度太高，雙氧水會(huì)受熱分解；
②（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，故
a．根據(jù)離子濃度大小分析；
b．由電荷守恒分析；
c．由物料守恒分析；
（3）根據(jù)關(guān)系式：LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O，列式計(jì)算即可．

解答 解：（1）①H⁺也會(huì)在陰極放電，2H⁺+2e^-═H₂↑；陰離子在陽(yáng)極放電，4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，故答案為：2H⁺+2e^-═H₂↑；4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；
②如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時(shí)，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降，
故答案為：H⁺與LiCoO₂在陰極的還原反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)c（H⁺）增大時(shí)，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降；
（2）①“酸浸”過(guò)程中正極粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)，LiCoO₂氧化生成Co²⁺和O₂，方程式為2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度太高，雙氧水會(huì)受熱分解；
故答案為：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；防止H₂O₂劇烈分解；
②（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，故
a．由離子濃度大小關(guān)系，知c （NH₄⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c （H⁺）＞c （OH^-），故a正確；
b．由電荷守恒，可知c （H⁺）+c （NH₄⁺）=c （OH^-）+c（HC₂O₄^-）+2c（C₂O₄^2-），故b錯(cuò)誤；
c．由物料守恒，可知c （NH₄⁺）+c （NH₃•H₂O）=2[c（C₂O₄^2-）+c（HC₂O₄^-）+c（H₂C₂O₄）]，故c正確；
故答案為：ac；
（3）根據(jù)關(guān)系式：LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O
                 98        183
                 xa%g        m
解之得m=$\frac{1.83ax}{98}$g，
故答案為：$\frac{1.83ax}{98}$．

點(diǎn)評(píng) 本題為生產(chǎn)流程題，涉及金屬的回收、環(huán)境保護(hù)、氧化還原反應(yīng)、物質(zhì)的分離提純和除雜等問(wèn)題，題目較為綜合，做題時(shí)注意仔細(xì)審題，從題目中獲取關(guān)鍵信息，難度中等，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)．