Question

9．鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰（LiCoO₂）、鋁箔和有機(jī)物導(dǎo)電劑等，現(xiàn)利用如圖1流程回收正極材料中的某些資源．

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）用硫酸和過(guò)氧化氫酸浸時(shí)，一般在90℃下進(jìn)行，寫(xiě)出該步驟中發(fā)生的主要氧化還原反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、
2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O．當(dāng)有1mol LiCoO₂參加反應(yīng)時(shí)，得到氧化產(chǎn)物的質(zhì)量為16g．
（2）常溫條件下調(diào)pH時(shí)，若使Al³⁺完全沉淀所需最小的pH為5（保留整數(shù)）．（已知：離子濃度等于或小于1．×10^-6時(shí)，認(rèn)為其完全沉淀；Al（OH）₃的Ksp=1.13×10^-33）
（3）操作1的名稱(chēng)是萃取、分液．
（4）從平衡角度進(jìn)行解釋生成CoCO₃固體的原因HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- 溶液中Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動(dòng)．
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質(zhì)，Co（OH）₂在空氣中加熱時(shí)，鈷元素在固體殘留物中的百分含量有如圖2所示的變化．已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時(shí)已完全脫水，則A點(diǎn)時(shí)，剩余固體的成分為Co₂O₃（填化學(xué)式）；在550-600℃范圍內(nèi)，剩余固體的成分為CoO、Co₃O₄（填化學(xué)式）．

Answer 1

分析 正極材料酸浸，并且加入稀硫酸、雙氧水，涉及的氧化還原反應(yīng)有2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；調(diào)節(jié)溶液的pH得到Al（OH）₃沉淀，過(guò)濾得到濾液和Al（OH）₃，通過(guò)操作1得到Li₂SO₄和有機(jī)相，操作1為萃取分液，然后反萃取得到有機(jī)相和CoSO₄，向溶液中加入碳酸氫銨溶液，發(fā)生反應(yīng)為CO₃^2-+Co²⁺=CoCO₃↓，
（1）在酸性條件下，LiCoO₂和雙氧水發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鋁和硫酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)；2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化產(chǎn)物是氧氣，根據(jù)LiCoO₂和氧氣之間的關(guān)系式計(jì)算；
（2）根據(jù)溶度積常數(shù)計(jì)算溶液pH；
（3）該操作是萃取、分液；
（4）濃度積大于溶度積時(shí)產(chǎn)生沉淀；
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質(zhì)，Co（OH）₂在空氣中加熱時(shí)，根據(jù)FeFe的氧化物，則Co的氧化物可能為Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
根據(jù)Co元素含量確定固體成分．

解答 解：（1）根據(jù)工藝流程中酸浸的過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)有2LiCoO₂+3 H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2 CoSO₄+O₂↑+4H₂O；有Al（OH）₃固體和題干中的鋁箔，易推知有鋁與H₂SO₄溶液反應(yīng)，所以離子方程式為：2Al+6H+=2Al³⁺+3H₂↑；因?yàn)榉磻?yīng)是溫度80℃，還會(huì)發(fā)生雙氧水制氧氣的反應(yīng)：2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O，
2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化產(chǎn)物是氧氣，1molLiCoO₂完全反應(yīng)生成氧氣0.5mol，其質(zhì)量為16g，
故答案為：2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；16g；
（2）離子濃度等于或小于1.0×10^-6時(shí)，認(rèn)為其完全沉淀；c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{1.13×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}$，c（OH^-）=10^-9 mol•L^-1，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-9}}$mol/L=10^-5 mol•L^-1，pH=5，
故答案為：5；
（3）該操作是萃取、分液，故答案為：萃取、分液；
（4）平衡移動(dòng)原理，溶液中HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動(dòng)，
故答案為：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，溶液中Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動(dòng)；
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質(zhì)，Co（OH）₂在空氣中加熱時(shí)，根據(jù)FeFe的氧化物，則Co的氧化物可能為Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
所以A點(diǎn)成分為Co₂O₃，在550-600℃范圍內(nèi)，剩余固體的成分為Co₃O₄和CoO，
故答案為：Co₂O₃；CoO、Co₃O₄．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)分離和提純，涉及工業(yè)流程、氧化還原反應(yīng)、信息型方程式書(shū)寫(xiě)、Ksp計(jì)算、物質(zhì)分離和提純、化學(xué)平衡移動(dòng)原理，綜合性較強(qiáng)，把握基本反應(yīng)原理及物質(zhì)性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難點(diǎn)是（5）題固體成分判斷，題目難度中等．