Question

【題目】工業(yè)上利用β-鋰輝礦(LiAlSi2O6和少量MgO、CaCO3雜質(zhì))制備金屬鋰，工藝流程如下：

回答下列問題：

(1)β-鋰輝礦的主要成分LiAlSi2O6中存在的原子團(tuán)為_____________。

(2)工業(yè)上加快酸浸速率除調(diào)整硫酸濃度、升高溫度外還可以采取的措施為_____________。浸出液中加入CaCO3的主要作用為______________________。

(3)一定溫度下,Ksp(CaCO3)=2.5×10-9,Ksp(Li2CO3)=1.6×10-3,若反應(yīng)Ⅱ的溶液中c(Ca2+)和c(Li+)均為1.0mol·L-1,則開始滴加稀Na2CO3溶液時(shí)，理論上c(CO32-)應(yīng)控制的范圍為_________;實(shí)際操作中CaCO3和Li2CO3可能同時(shí)析出，從而造成Li+損失，一種改進(jìn)的工藝是利用草酸鈉代替Na2CO3作為沉淀劑，分析使用草酸鈉的原因?yàn)?/span>_____________________。

(4)反應(yīng)Ⅲ的離子方程式為_______________________。常溫下，Na2CO3的溶解度為29.4g,判斷反應(yīng)Ⅲ能否使溶液中Li+沉淀完全?_______________________________________________________(列式計(jì)算)。[化學(xué)上規(guī)定，當(dāng)某離子濃度≤10-5mol·L-1時(shí)即可認(rèn)為該離子沉淀完全]

(5)高溫下發(fā)生反應(yīng)Ⅳ的化學(xué)方程式為_____________________________________________。

(6)一定溫度下，LiAlSi2O6與不同濃度的硫酸反應(yīng)30min時(shí)結(jié)果如下表所示：

c(H2SO4)/mol·L-1	1.0	5.0	10.0	16.0	18.0
Li浸出率/%	30	60	90	80	70
Al浸出率/%	30	60	40	10	0

試分析酸浸過程中，若使c(H2SO4)=10.0mol·L-1，則該工藝條件的優(yōu)缺點(diǎn)為____________________。

Answer 1

【答案】SiO32- 粉碎、攪拌 中和過量的硫酸，調(diào)節(jié)溶液pH 2.5×10-9 mol·L-1<c(CO32-)≤1.6×10-3 mol·L-1 草酸鈣難溶于水，而草酸鋰易溶于水 2Li++CO32- = Li2CO3↓ 當(dāng)c(Li+)=1.0×10-5mol·L-1時(shí)，c(CO32-)=1.6×10-3/(1.0×10-5)2=1.6×107 mol·L-1，遠(yuǎn)大于飽和Na2CO3溶液的濃度，故Li+沒有沉淀完全 3Li2O +2AlAl2O3 + 6Li 優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速率快，Li浸出率高；相同浸取率需要的反應(yīng)溫度低，消耗能量少。

缺點(diǎn)：Al浸出率較高，需要增加除Al雜質(zhì)的步驟

【解析】

β-鋰輝礦（主要成分為LiAlSi2O6，還含有少量MgO、CaCO3等雜質(zhì)）為原料來制取金屬鋰，加入過量濃硫酸溶解β-鋰輝礦，加入碳酸鈣再加入適量石灰乳，使鎂離子沉淀完全，加入稀碳酸鈉沉淀鈣離子，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，洗滌后煅燒得到氧化鋁，加入鋁粉高溫條件下置換出鋰同時(shí)生成氧化鋁。(1)β-鋰輝礦的主要成分LiAlSi2O6為硅酸鹽，存在的原子團(tuán)為SiO32-；(2)工業(yè)上加快酸浸速率除調(diào)整硫酸濃度、升高溫度外還可以采取的措施為粉碎、攪拌。浸出液中加入CaCO3的主要作用為中和過量的硫酸，調(diào)節(jié)溶液pH，使于除去鎂離子；(3) 反應(yīng)Ⅱ應(yīng)該控制鈣離子沉淀完全而鋰離子沒有開始沉淀，溶液中c(Ca2+)和c(Li+)均為1.0mol·L-1,Ksp(CaCO3)= c(Ca2+) c(CO32-)=2.5×10-9,得c(CO32-)=2.5×10-9，Ksp(Li2CO3)= c2(Li+) c(CO32-)= 1.6×10-3, 得c(CO32-)=1.6×10-3,故理論上c(CO32-)應(yīng)控制的范圍為2.5×10-9 mol·L-1<c(CO32-)≤1.6×10-3 mol·L-1;實(shí)際操作中CaCO3和Li2CO3可能同時(shí)析出，從而造成Li+損失，一種改進(jìn)的工藝是利用草酸鈉代替Na2CO3作為沉淀劑，因?yàn)椴菟徕}難溶于水，而草酸鋰易溶于水；(4)反應(yīng)Ⅲ是碳酸鈉與硫酸鋰反應(yīng)生成碳酸鋰和硫酸鈉，反應(yīng)的離子方程式為2Li++CO32- = Li2CO3↓；當(dāng)c(Li+)=1.0×10-5mol·L-1時(shí)，c(CO32-)=1.6×10-3/(1.0×10-5)2=1.6×107 mol·L-1，遠(yuǎn)大于飽和Na2CO3溶液的濃度，故Li+沒有沉淀完全；(5)高溫下發(fā)生反應(yīng)Ⅳ的化學(xué)方程式為3Li2O +2AlAl2O3+ 6Li；(6) 酸浸過程中，若使c(H2SO4)=10.0mol·L-1，則該工藝條件的優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速率快，Li浸出率高；相同浸取率需要的反應(yīng)溫度低，消耗能量少；缺點(diǎn)：Al浸出率較高，需要增加除Al雜質(zhì)的步驟。