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。

(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)來進行鑒定，當(dāng)觀察到火焰呈________，可以認為存在鋰元素。

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_______。(保留到小數(shù)點后一位。已知：完全沉淀后離子濃度低于1×l0-5)mol/L)

④常溫下，已知Ksp[ Mg(OH)2]=3.2×10-11mol/L，Ksp[Fe(OH)3]=2.7×10﹣39，若將足量的Mg(OH)2和Fe(OH)3分別投入水中均得到其相應(yīng)的懸濁液，所得溶液中金屬陽離子的濃度分別為____________mol/L、__________mol/L。

⑤“沉鋰”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動的特性，開發(fā)出石墨烯電池，電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6 LixC6+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．電池反應(yīng)式中過程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)點是提高電池的儲鋰容量進而提高能量密度

D．充電時，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 將礦石細磨(攪拌、升高溫度或其他合理答案) 4.7 2×10-4 1×10-10 凈化 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 CD

【解析】

(1)焰色反應(yīng)常用來檢測金屬元素，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；

(2)①根據(jù)硅酸鹽改寫成氧化物形式的方法進行改寫；

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)増加酸溶液濃度、適當(dāng)升高溫度、攪拌、多次浸取等；

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+完全沉定pH大于Fe3+的，應(yīng)用Ksp(Al(OH)3)＝1×10-33進行計算；

④根據(jù)沉淀溶解平衡和溶度積常數(shù)進行計算；

⑤“沉鋰”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在敞口容器中反應(yīng)生成LiCoO2時Co元素的化合價升高，因此推斷空氣中O2參與反應(yīng)氧化Co元素；

(3)根據(jù)電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6 LixC6+Li1-xCoO2進行相關(guān)分析與判斷。

(1)焰色反應(yīng)常用來檢測金屬元素，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：活金屬氧化物較活波金屬氧化物二氧化硅水；b．各元素的化合價保持不変，且滿足化合價代數(shù)和為零，各元素原子個數(shù)比符合原來的組成；c．當(dāng)計量數(shù)配置出現(xiàn)分數(shù)時應(yīng)化為整數(shù)；鋰石的主要成分為LiAlSi2O6，根據(jù)方法，其氧化物的形式為Li2O·Al2O3·4SiO2，故答案為：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)増加酸溶液濃度、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磨、攪拌、升高溫度等，故答案為：將礦石細磨(攪拌、升高溫度或其他合理答案)；

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+完全沉定pH大于Fe3+的，Ksp(Al(OH)3)＝1×10-33，c(OH-)===1×10-9.3mol/L，c(H+)＝1×10-4.7mol/L，pH＝4.7，即pH至少為4.7，故答案為：4.7；

④將足量的Mg(OH)2和Fe(OH)3分別投入水中均得到其相應(yīng)的懸濁液，即為飽和溶液，溶液中離子濃度滿足沉淀溶解平衡方程式中化學(xué)計量數(shù)得關(guān)系，所以Mg(OH)2懸濁液中c(Mg2+)=，c(OH-)=2c(Mg2+),則c(Mg2+)===2×10-4mol/L；Fe(OH)3中c(Fe3+)=，c(OH-)=3c(Fe3+)，則c(Fe3+)===1×10-10mol/L；故答案為：2×10-4；1×10-10；

⑤“沉鋰”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，故答案為：凈化；

⑥Li2CO3與Co3O4在敞口容器中反應(yīng)生成LiCoO2時Co元素的化合價升高，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，故答案為：6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2；

(3)A．電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6 LixC6+Li1-xCoO2，由此可知，放電時，負極電極反應(yīng)式為以LixC6-xe-＝xLi++C6，正極電極反應(yīng)式為Li1-xCoO2+xLi++xe-＝LiCoO2，石墨電極為放電時的負極，充電時的陰極，過程1為Li+向石墨電極移動，因此為充電過程，A錯誤；

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動的特性而制作，因此隔膜不能選擇質(zhì)子交換膜，B錯誤；

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，LiCoO2極為陽極，將放電時的正極電極式逆寫即可得，即LiCoO2極發(fā)生的電極反應(yīng)為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2，D正確；

E．對廢舊的該電池進行“放電處理”讓Li+嵌入LiCoO2中才有利于回收，E錯誤；

故答案為：CD。