Question

【題目】鋰離子電池歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)歲月的考驗(yàn)，作出重大貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家被授予2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。磷酸亞鐵鋰( LiFePO4)是新型鋰離子電池的正極材料。某小組擬設(shè)計(jì)以一種鋰輝石(主要成分為Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量鐵、鈣、鎂)為原料制備純凈的碳酸鋰，進(jìn)而制備LiFePO4的工藝流程:

已知：LiO2·Al2O3·4SiO2＋H2SO4(濃) Li2SO4＋Al2O3·4SiO2·H2O↓

回答下列問(wèn)題:

（1） LiFePO4含有鋰、鐵兩種金屬元素，它們焰色反應(yīng)的顏色分別是_____________(填序號(hào))。

A.紫紅色、無(wú)焰色反應(yīng) B.黃色、無(wú)焰色反應(yīng)

C.黃色、紫色 D.洋紅色、黃綠色

（2）濾渣1的主要成分是_____________；向?yàn)V液1中加入適量的CaCO3細(xì)粉用于消耗硫酸并將Fe3+轉(zhuǎn)化為紅褐色沉淀，若=3,反應(yīng)的離子方程式為__________; 濾渣2的主要成分是Fe(OH)3、________、 CaSO4,其中 Fe(OH)3 脫水后可生成一種元素種類(lèi)不變且摩爾質(zhì)量為89 g·mol -1的新化合物，其化學(xué)式為_______________。

（3）已知碳酸鋰在水中的溶解度隨溫度升高而減小，上述流程中趁熱過(guò)濾的目的是________。

（4）煅燒制備LiFePO4時(shí)，反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____________________。

（5）某種以LiFePO4,作正極材料的鋰電池總反應(yīng)可表示為: LiFePO4+CLi1-xFePO4 +CLix。放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式為__________。

Answer 1

【答案】A Al2O3·4SiO2·H2O Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑或Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑ Mg(OH)2 FeO(OH)或FeOOH 減小LiCO3的溶解損失 Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑ Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4

【解析】

鋰輝石(主要成分為Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量鐵、鈣、鎂)加入濃硫酸共熱，根據(jù)已知信息可知得到的沉淀1主要成分為Al2O3·4SiO2·H2O，濾液中的主要陽(yáng)離子有Fe3+、Mg2+、Ca2+、Li+；加入碳酸鈣和石灰乳可以將過(guò)量的氫離子和Fe3+、Mg2+除去，濾渣2主要為Fe(OH)3、Mg(OH)2以及硫酸鈣；濾液主要雜質(zhì)離子有Ca2+和SO42-；再加入碳酸鈉將鈣離子除去，得到硫酸鋰和硫酸鈉的混合溶液，蒸發(fā)濃縮后加入飽和碳酸鈉溶液，趁熱過(guò)濾得到碳酸鋰沉淀；提純后加入草酸和磷酸鐵經(jīng)煅燒得到LiFePO4。

(1)鋰元素的焰色反應(yīng)為紫色；鐵元素?zé)o焰色反應(yīng)，所以選A；

(2)根據(jù)分析可知，濾渣1主要為Al2O3·4SiO2·H2O；得到的紅褐色沉淀應(yīng)為Fe(OH)3，再結(jié)合=3以及溶液中有過(guò)量的硫酸，所以離子方程式為Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑，考慮到溶液中有大量硫酸根也可以寫(xiě)成Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑；根據(jù)分析可知濾渣2的主要成分是Fe(OH)3、Mg(OH)2以及CaSO4；摩爾質(zhì)量為89 g·mol -1，則該物質(zhì)的式量為89，Fe(OH)3的式量為107,107-89=18，說(shuō)明脫水過(guò)程失去一分子水，所以新物質(zhì)的化學(xué)式為：FeO(OH)；

(3)碳酸鋰在水中的溶解度隨溫度升高而減小，所以趁熱過(guò)濾可以減小碳酸鋰的溶解度，減少碳酸鋰的損耗；

(4)煅燒制備過(guò)程的原料為Li2CO3、H2C2O4和FePO4，產(chǎn)物中有LiFePO4，鐵元素的化合價(jià)降低，則該過(guò)程中某種物質(zhì)被氧化，根據(jù)元素化合價(jià)變化規(guī)律可知草酸中的C元素被氧化，由+3價(jià)升高為+4價(jià)，結(jié)合電子守恒和元素守恒可知方程式為：Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑；

(5)放電時(shí)正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極失電子被氧化，根據(jù)總反應(yīng)可知負(fù)極應(yīng)為CLix-xe-=xLi++C，正極反應(yīng)等于總反應(yīng)減去負(fù)極反應(yīng)，所以正極反應(yīng)為：即Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4。