Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎授予在開發(fā)鋰離子電池方面做出卓越貢獻的三位化學(xué)家。鋰被譽為“高能金屬”，是鋰電池的電極材料，工業(yè)上用β-鋰輝礦(主要成分為Li2O·Al2O3·4SiO2以及少量鈣、鎂雜質(zhì))和氟磷灰石(Ca5P3FO12)聯(lián)合制取鋰離子電池正極材料(LiFePO4)，其工業(yè)生產(chǎn)流程如圖：

已知：①Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34；

②LiFePO4難溶于水。

回答下列問題：

（1）氟磷灰石(Ca5P3FO12)中磷元素的化合價為___，沉淀X的主要成分是___(寫化學(xué)式)。

（2）操作3的名稱是___，操作1所需的玻璃儀器名稱為___。

（3）蒸發(fā)濃縮Li2SO4溶液的目的是___。

（4）寫出合成反應(yīng)的離子方程式___。

（5）科學(xué)家設(shè)計一種鋰電池的反應(yīng)原理為LiFePO4Li+FePO4，放電時正極反應(yīng)式為___。

（6）工業(yè)上取300噸含氧化鋰5%的β-鋰輝礦石，經(jīng)上述變化得到純凈的LiFePO4共110.6噸，則元素鋰的利用率為___。

Answer 1

【答案】+5 CaCO3、Mg(OH)2 分液 燒杯、漏斗、玻璃棒 增大溶液中鋰離子濃度，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀 H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+ FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4 70%

【解析】

β-鋰輝礦焙燒后，溶于硫酸生成硫酸鋰、硫酸鋁、硫酸鈣、硫酸鎂和二氧化硅沉淀，調(diào)節(jié)pH為6，鋁離子沉淀，濾液的硫酸鎂能與氫氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鎂沉淀，氫氧化鈣能與碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，得到濾液硫酸鋰蒸發(fā)濃縮后與磷酸二氫銨、硫酸亞鐵反應(yīng)生成難溶的LiFePO4。

⑴氟磷灰石(Ca5P3FO12)中Ca為+2價，O為-2價，F為-1價，根據(jù)化合物價態(tài)代數(shù)和為0得到磷元素的化合價為+5，β-鋰輝礦焙燒后，溶于硫酸生成硫酸鋰、硫酸鋁、硫酸鈣、硫酸鎂和二氧化硅沉淀，調(diào)節(jié)pH為6，鋁離子沉淀，濾液的硫酸鎂能與氫氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鎂沉淀，氫氧化鈣能與碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，因此沉淀X的主要成份的化學(xué)式是CaCO3和Mg(OH)2；故答案為：+5；CaCO3、Mg(OH)2。

⑵觀察流程可知，操作1得到硫酸鈣，因此操作1為過濾，所需的玻璃儀器有燒杯、漏斗、玻璃棒，操作3得到有機相，因此操作3為分液；故答案為：分液；燒杯、漏斗、玻璃棒。

⑶蒸發(fā)濃縮Li2SO4溶液，可使溶液中鋰離子濃度增大，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀；故答案為：增大溶液中鋰離子濃度，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀。

⑷合成反應(yīng)是磷酸二氫銨、磷酸亞鐵和硫酸鋰，產(chǎn)物為難溶的LiFePO4，其離子方程式H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+；故答案為：H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+。

⑸科學(xué)家設(shè)計一種鋰電池的反應(yīng)原理為LiFePO4Li+FePO4，則Li為負極，FePO4為正極，放電時正極反應(yīng)式為FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4；故答案為：FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4。

⑹300噸含氧化鋰5%的β-鋰輝礦中Li2O的質(zhì)量為300噸×5% = 15噸，根據(jù)關(guān)系式Li2O—2LiFePO4，理論上可生成磷酸亞鐵鋰為，則元素鋰的利用率為；故答案為70%。