Question

6．鋰被譽為“金屬味精”以LiCoO₂為正極材料的鋰離子電池已被廣泛用作便攜式電源．工業(yè)上常以β-鋰輝礦（主要成分為LiAlSi₂O₆，還含有FeO、MgO、CaO等雜質）為原料來制取金屬鋰．其中一種工藝流程如下：

已知：①部分金屬氫氧化物開始沉淀和完全沉淀時的pH：

氫氧化物	Fe（OH）3	Al（OH）3	Mg（OH）2
開始沉淀pH	2.7	3.7	9.6
完全沉淀pH	3.7	4.7	11

②Li₂CO₃在不同溫度下的溶解度如下表：

溫度/℃	0	10	20	50	75	100
Li2CO3的溶解度/g	1.539	1.406	1.329	1.181	0.866	0.728

請回答下列問題：
（1）用氧化物形式表示LiAlSi₂O₆的組成：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂．
（2）反應Ⅱ加入碳酸鈣的作用是除去反應Ⅰ中過量的H₂SO₄，控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀．
（3）寫出沉淀A的成分Mg（OH）₂、CaCO₃．
（4）反應Ⅳ生成Li₂CO₃沉淀，寫出在實驗室中得到Li₂CO₃沉淀的操作名稱過濾，洗滌所得Li₂CO₃沉淀要使用熱水�。ㄟx填“熱水”或“冷水”），你選擇的理由是Li₂CO₃在較高溫度下溶解度小，用熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損耗．
（5）電解熔融氯化鋰生產(chǎn)鋰時，陽極產(chǎn)生的氯氣中會混有少量氧氣，原因是加熱蒸干LiCl溶液時，LiCl有少量水解生成LiOH，受熱分解生成Li₂O，電解時產(chǎn)生O₂．

Answer 1

分析 β-鋰輝礦（主要成分為LiAlSi₂O₆，還含有FeO、MgO、CaO等雜質）為原料來制取金屬鋰，加入過量濃硫酸溶解β-鋰輝礦，加入碳酸鈣除去過量的硫酸調節(jié)溶液PH=5，使鐵離子和鋁離子沉淀完全，加入水洗過濾洗去礦泥，然后加入氫氧化鈣和碳酸鈉沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到溶液中主要是鋰離子的溶液，蒸發(fā)濃縮，加入碳酸鈉沉淀鋰離子生成碳酸鋰，洗滌后加入鹽酸溶解得到純凈的氯化鋰溶液，加熱蒸干得到氯化鋰，電解熔融氯化鋰得到金屬鋰，
（1）根據(jù)元素的化合價將Li、Al、Si寫成氧化物形式，中間用•連接即可；
（2）根據(jù)工藝流程可知，加入碳酸鈣目的是除去硫酸，調節(jié)溶液pH，除去鐵離子、鋁離子；
（3）反應Ⅲ要除去鎂離子，加入過量氫氧化鈣后生成氫氧化鎂沉淀，然后用碳酸鈉除去過量的鈣離子雜質，所以沉淀為氫氧化鎂、碳酸鈣；
（4）分離出不溶物方法為過濾；根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，Li₂CO₃在較高溫度下溶解度小，用熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損耗；
（5）根據(jù)蒸干LiCl溶液時，LiCl有少量水解生成LiOH，氫氧化鋰部分分解生成氧化鋰，電解時會生成氫氣．

解答 解：β-鋰輝礦（主要成分為LiAlSi₂O₆，還含有FeO、MgO、CaO等雜質）為原料來制取金屬鋰，加入過量濃硫酸溶解β-鋰輝礦，加入碳酸鈣除去過量的硫酸調節(jié)溶液PH=5，使鐵離子和鋁離子沉淀完全，加入水洗過濾洗去礦泥，然后加入氫氧化鈣和碳酸鈉沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到溶液中主要是鋰離子的溶液，蒸發(fā)濃縮，加入碳酸鈉沉淀鋰離子生成碳酸鋰，洗滌后加入鹽酸溶解得到純凈的氯化鋰溶液，加熱蒸干得到氯化鋰，電解熔融氯化鋰得到金屬鋰，
（1）將硅酸鹽改為氧化物形式的方法為：依次將各元素寫成氧化物形式，中間用“•”連接，同時要注意氧化物先后順序，為Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂，
故答案為：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂；
（2）由（1）改寫可知，β-鋰輝礦在加入過量濃硫酸后，只有SiO₂不溶，同時Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，并生成CaSO₄沉淀，所以溶液中含有Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Li⁺等離子，依據(jù)實驗目的可知必須除去雜質離子，故在反應Ⅱ中加入碳酸鈣的作用為：除去反應Ⅰ中過量的H₂SO₄，控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，
故答案為：除去反應Ⅰ中過量的H₂SO₄，控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀；
（3）利用題干信息知反應Ⅲ要除去Mg²⁺，但在加入沉淀劑Ca（OH）₂時會引入大量Ca²⁺，故還需加入Na₂CO₃除去Ca²⁺，即沉淀A為Mg（OH）₂沉淀與CaCO₃沉淀的混合物，
故答案為：Mg（OH）₂、CaCO₃；
（4）實驗室里分離固液混合物的操作是過濾，由題中給出Li₂CO₃的溶解度與溫度的關系，可知洗滌Li₂CO₃沉淀要使用熱水，
故答案為：過濾；熱水；Li₂CO₃在較高溫度下溶解度小，用熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損耗；
（5）由有氧氣產(chǎn)生可逆推知可能的原因：加熱蒸干LiCl溶液時，LiCl有少量水解生成LiOH，受熱分解生成Li₂O，電解時產(chǎn)生O₂，
故答案為：加熱蒸干LiCl溶液時，LiCl有少量水解生成LiOH，受熱分解生成Li₂O，電解時產(chǎn)生O₂（其他合理答案均可）．

點評 本題考查了工業(yè)上以β-鋰輝礦制取金屬鋰的方法，題目難度中等，試題涉及了化學式的書寫、物質的分離與提純、離子方程式的書寫等知識，合理分析題中工藝流程是解題關鍵．