Question

鋰離子電池的廣泛應(yīng)用使回收利用鋰資源成為重要課題．某研究性學(xué)習(xí)小組對(duì)廢舊鋰離子電池正極材料（LiMn₂O₄和碳粉涂覆在鋁箔上）進(jìn)行資源回收研究，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程如下：

（1）第①步反應(yīng)可能產(chǎn)生氣體的化學(xué)式是

 

；第②步反應(yīng)得到的沉淀X的化學(xué)式為

 

；第④步反應(yīng)的化學(xué)方程式是：

 

．
（2）第③步反應(yīng)有鋰離子（Li⁺）生成，其反應(yīng)的離子方程式是：

 

．
（3）四步實(shí)驗(yàn)都包含過(guò)濾，實(shí)驗(yàn)室中過(guò)濾實(shí)驗(yàn)要使用的玻璃儀器包括：

 

．
（4）若廢舊鋰離子電池正極材料含LiMn₂O₄的質(zhì)量為18.1g，第③步反應(yīng)中加入20.0mL 3.0mol?L^-1的H₂SO₄溶液，假定正極材料中的鋰經(jīng)反應(yīng)③和④完全轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i₂CO₃，則至少有

 

g Na₂CO₃參加了反應(yīng)．

Answer 1

考點(diǎn)：物質(zhì)分離和提純的方法和基本操作綜合應(yīng)用

專(zhuān)題：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題

分析：第一步就是鋁溶解在氫氧化鈉溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成四羥基合鋁酸鈉，即濾液的主要成分，第二步就是四羥基合鋁酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉的過(guò)程，第三步是LiMn₂O₄在酸性環(huán)境下能被空氣中的氧氣氧化發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，得到的濾液中有生成的硫酸鋰，可能有過(guò)量的硫酸，最后一步加入碳酸鈉之后反應(yīng)生成硫酸鈉和碳酸鋰沉淀，所得的濾液主要成分為硫酸鈉和過(guò)量碳酸鈉；
（1）根據(jù)以上分析，第①步反應(yīng)可能產(chǎn)生氣體的化學(xué)式是鋁與氫氧化鈉反應(yīng)生成的氫氣，第②步反應(yīng)得到的沉淀X的化學(xué)式為氫氧化鋁，第④步反應(yīng)的化學(xué)方程式是Na₂CO₃+MnSO₄═Na₂SO₄+Li₂CO₃↓；
（2）在酸性環(huán)境下，LiMn₂O₄能被空氣中的氧氣氧化；
（3）過(guò)濾實(shí)驗(yàn)要使用的玻璃儀器包括漏斗、燒杯、玻璃棒；
（4）計(jì)算第③步反應(yīng)中加入20.0mL3.0mol?L^-1的H₂SO₄溶液的量是否過(guò)量和過(guò)量的硫酸以及生成的Li⁺消耗的碳酸鈉的量．

解答： 解：第一步就是鋁溶解在氫氧化鈉溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成四羥基合鋁酸鈉，即濾液的主要成分，第二步就是四羥基合鋁酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉的過(guò)程，第三步是LiMn₂O₄在酸性環(huán)境下能被空氣中的氧氣氧化發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，得到的濾液中有生成的硫酸鋰，可能有過(guò)量的硫酸，最后一步加入碳酸鈉之后反應(yīng)生成硫酸鈉和碳酸鋰沉淀，所得的濾液主要成分為硫酸鈉；
（1）根據(jù)以上分析，第①步反應(yīng)可能產(chǎn)生氣體的化學(xué)式是鋁與氫氧化鈉反應(yīng)生成的氫氣，第②步反應(yīng)得到的沉淀X的化學(xué)式為氫氧化鋁，第④步反應(yīng)的化學(xué)方程式是Na₂CO₃+MnSO₄═Na₂SO₄+Li₂CO₃↓；
故答案為：H₂、Al（OH）₃、Na₂CO₃+MnSO₄═Na₂SO₄+Li₂CO₃↓；
（2）在酸性環(huán)境下，LiMn₂O₄能被空氣中的氧氣氧化，離子方程式為：4 LiMn₂O₄+O₂+4H⁺=4Li⁺+8MnO₂+2H₂O；
故答案為：4 LiMn₂O₄+O₂+4H⁺=4Li⁺+8MnO₂+2H₂O；
（3）過(guò)濾實(shí)驗(yàn)要使用的玻璃儀器包括漏斗、燒杯、玻璃棒；故答案為：漏斗、燒杯、玻璃棒；
（4）根據(jù)LiMn₂O₄～0.5H₂SO₄～Li⁺得18.1gLiMn₂O₄即0.1molLiMn₂O₄消耗硫酸的量為0.05mol，故硫酸有剩余，剩余的0.01mol硫酸和生成的Li⁺共消耗碳酸鈉0.06mol，即6.36g，故答案為：6.36．

點(diǎn)評(píng)：本題是一道實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合的綜合題，主要是混合物分離試劑作用和生成產(chǎn)物判斷，元素守恒的計(jì)算應(yīng)用，難度較大．