Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了日本吉野彰等三人，以表彰他們對(duì)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_______。(保留到小數(shù)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)是提高電池的儲(chǔ)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(duì)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 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(jìn)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(jìn)行計(jì)算；

④根據(jù)沉淀溶解平衡和溶度積常數(shù)進(jìn)行計(jì)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(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；

(3)根據(jù)電池反應(yīng)式為LiCoO2+C6 LixC6+Li1-xCoO2進(jìn)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(jià)保持不変，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(xì)磨、攪拌、升高溫度等，故答案為：將礦石細(xì)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(jì)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(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，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(shí)，負(fù)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(shí)的負(fù)極，充電時(shí)的陰極，過程1為Li+向石墨電極移動(dòng)，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(dòng)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(chǔ)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(duì)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。