Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎授予在開發(fā)鋰離子電池方面做出卓越貢獻(xiàn)的三位化學(xué)家。鋰離子電池的廣泛應(yīng)用要求處理電池廢料以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。鈷酸鋰電池正極材料主要含有LiCoO2、導(dǎo)電劑乙炔黑、鋁箔及鍍鎳金屬鋼殼等，處理該廢舊電池的一種工藝如下圖所示：

回答下列問題：

(1)Li原子結(jié)構(gòu)示意圖為_______，LiCoO2中Co的化合價(jià)是__________。

(2)用NaOH溶液處理正極材料的離子方程式為____________________________。

(3)“酸浸”過程中LiCoO2發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為___________________________。保持其他因素不變的情況下，“酸浸”時(shí)Co、Li元素的浸出率隨溫度的變化如右圖所示，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)Co元素浸出率下降的原因有：

①Co2＋水解加劇；②________________________________。

(4)調(diào)節(jié)pH的目的是使Ni2＋和_______________(填離子符號)全部沉淀。

(5)“萃取”環(huán)節(jié)，鈷、鋰萃取率與平衡時(shí)溶液pH的關(guān)系如下圖所示，為了實(shí)現(xiàn)鈷、鋰分離效果較好，pH一般選擇______________(填整數(shù))左右。

(6)“萃取”和“反萃取”可簡單表示為，則反萃取過程中加入的試劑X是___________________________(填名稱)。

(7)取CoC2O4固體4.41g在空氣中加熱至300℃，得到鈷的氧化物2.41g和一種無毒無污染的氣體，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________。

Answer 1

【答案】 +3 H2O2部分分解 Fe3＋ 5 硫酸溶液

【解析】

由流程可知，加入NaOH堿液浸泡，將Al充分溶解，過濾后得到的濾液含有NaAlO2，濾渣為LiCoO2以及沒有反應(yīng)的乙炔黑、鍍鎳金屬鋼殼；加H2SO4，鍍鎳金屬鋼殼會溶解，得到Ni2＋、Fe2＋，加入雙氧水，可以將Fe2＋氧化成Fe3＋；在后面的流程中，可知Co的化合價(jià)從LiCoO2中的＋3轉(zhuǎn)化為＋2，與H2O2發(fā)生氧化還原反應(yīng)。加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH，可除去Ni2＋、Fe3＋；用萃取的方法，分離Li＋和Co2＋。最終得到Li2CO3和CoC2O4。

(1)Li的原子序數(shù)為3，其原子結(jié)構(gòu)示意圖為；根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為0，LiCoO2中Co的化合價(jià)為＋3；

(2)正極材料中含有Al，Al會與NaOH反應(yīng)，離子方程式為2Al＋2OH－＋2H2O=2AlO2－＋3H2↑；

(3)加入硫酸和雙氧水，將Li、Co等轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的離子，LiCoO2中Co的化合價(jià)為＋3，而后面得到CoC2O4，Co的化合價(jià)為＋2，化合價(jià)降低，需要一個(gè)還原劑，雙氧水可以作還原劑，發(fā)生的反應(yīng)為2LiCoO2＋H2O2＋6H＋=2Li2＋＋2Co2＋＋O2↑＋4H2O；溫度高于80℃時(shí)，Co元素浸出率下降，H2O2會分解，使得Co浸出率下降；

(4)加H2SO4，鍍鎳金屬鋼殼會溶解，得到Ni2＋、Fe2＋，加入雙氧水，可以將Fe2＋氧化成Fe3＋，調(diào)節(jié)pH，可以將Ni2＋和Fe3＋轉(zhuǎn)化為Ni(OH)2、Fe(OH)3以便除去；

(5)“萃取”環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)鈷、鋰分離。從圖中可知，pH大于等于5時(shí)，Co萃取率已經(jīng)達(dá)到100%，而pH越大，Li也會被萃取，使得Li和Co不能完全分離；因此pH一般選擇5；

(6)根據(jù)萃取后得到CoSO4溶液，可知加入的應(yīng)為H2SO4；X的名稱為硫酸溶液；

(7)取CoC2O4固體4.41g在空氣中加熱至300℃，得到鈷的氧化物2.41g，則n(CoC2O4)= 4.41g÷147g·mol－1=0.03mol，根據(jù)Co守恒，Co的氧化物中，O的質(zhì)量為2.41－0.03mol×59g·mol－1=0.64g，則n(O)=0.64g÷16g·mol－1=0.4mol，氧化物中Co和O的物質(zhì)的量之比為0.03mol：0.04mol=3:4，則該氧化物的化學(xué)是為Co3O4；根據(jù)原子守恒，另一種無毒的氣體為CO2，則化學(xué)方程式為3CoC2O4＋2O2Co3O4＋6CO2。