Question

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

(1)自然界中主要的鋰礦物為鋰輝石、鋰云母、透鋰長石和磷鋰鋁石等。為鑒定某礦石中是否含有鋰元素，可以采用焰色反應(yīng)來進(jìn)行鑒定，當(dāng)觀察到火焰呈________，可以認(rèn)為存在鋰元素。

A.紫紅色 B.紫色 C.黃色

(2)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)的流程如下：

已知：部分金屬氫氧化物的pKsp（pKsp=-lgKsp）的柱狀圖如圖1。

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：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；該過程所獲得的“母液”中仍含有大量的Li+，可將其加入到“ ___________”步驟中。

⑥Li2CO3與Co3O4在敞口容器中高溫下焙燒生成鈷酸鋰的化學(xué)方程式為__________。

(3)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

Answer 1

【答案】a Li2O·Al2O3·4SiO2 將礦石細(xì)磨(攪拌、升高溫度或其他合理答案) 4.7 Mg(OH)2、CaCO3 Na2CO3(或其他合理答案) 凈化 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 CD

【解析】

(1)焰色反應(yīng)常用來檢測金屬元素，高中要求學(xué)生記住鈉元素的焰色為黃色，鉀元素的焰色為紫色，利用排除法可以選擇出鋰元素的焰色為紫紅色。故答案為：a；

(2)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→較活潑金屬氧化物→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Li2O·Al2O3·4SiO2。

②流程題目中為提高原料酸浸效率，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。

③根據(jù)柱狀圖分析可知，Al(OH)3的Ksp大于Fe(OH)3的，那么使Al3＋完全沉淀pH大于Fe3＋的，Al(OH)3的Ksp=1×10-33，c(OH-)=mol/L=1×10-9.3mol·L-1，c(H＋)=1×10-4.7mol·L-1，pH=4.7，即pH至少為4.7。

④“凈化”步驟是盡最大可能除去雜質(zhì)離子，如Mg2＋、Ca2＋等，結(jié)合加入物質(zhì)Ca(OH)2、Na2CO3，可以推出“濾渣2”的主要成分為Mg(OH)2、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，該過程中加入的沉淀劑最佳答案為Na2CO3溶液；該過程所獲得的“母液”中仍含有大量的Li+，需要從中2次提取，應(yīng)回到“凈化”步驟中循環(huán)利用。

⑥Li2CO3與Co3O4在敝口容器中反應(yīng)生成LiCoO2時(shí)Co元素的化合價(jià)升高，因此推斷空氣中O2參與反應(yīng)氧化Co元素，化學(xué)方程式為6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2。

(3)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)式為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，過程1為Li+向石墨電極移動，因此為充電過程，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)動的特性而制作，因此隔膜不能選擇質(zhì)子交換膜，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)是在提高電池的儲鋰容量的基礎(chǔ)上提高了能量密度，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，即LiCoO2極發(fā)生的電極反應(yīng)為LiCoO2-xe－＝xLi＋+Li1-xCoO2，D正確；對廢舊的該電池進(jìn)行“放電處理”讓Li+嵌入LiCoO2中才有利于回收，E錯(cuò)誤。故答案為：CD。