Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予鋰離子電池領(lǐng)域。LiFePO4(磷酸亞鐵鋰) 是鋰離子電池的一種電極材料，可通過下列方法制備：

方法一：2FePO4(s)+Li2 CO3(s)+2C(s)2LiFePO4(s)+3CO(g)

(1)該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為_____。若在容積不變的容器中，上述反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，一氧化碳的濃度為amolL﹣1，再充入bmol一氧化碳，則平衡向_____方向移動(dòng)，達(dá)到新平衡時(shí)，一氧化碳的濃度為_____。

(2)一定溫度下，在2L密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)。反應(yīng)進(jìn)行到20min時(shí)，容器內(nèi)固體的質(zhì)量減少了5.6g，則0～20min內(nèi)一氧化碳的平均反應(yīng)速率是_____。

方法二：LiFePO4可以通過(NH4)2Fe(SO4)2、H3PO4與Li OH溶液發(fā)生共沉淀反應(yīng)，所得沉淀經(jīng)80℃真空干燥、高溫成型而制得。

(3)氫氧化鈉堿性比氫氧化鋰堿性強(qiáng)，請用元素周期律知識說明理由_____。

(4)共沉淀反應(yīng)投料時(shí)，不將(NH4)2Fe(SO4)2和LiOH溶液直接混合，其原因是_____。

(5)磷酸亞鐵鋰電池總反應(yīng)為：FePO4+Li LiFePO4，放電時(shí)，負(fù)極為_____(填寫化學(xué)式)。若用該電池電解飽和食鹽水(電解池電極均為惰性電極)，當(dāng)電解池兩極共有4480mL氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況)產(chǎn)生時(shí)，該電池消耗鋰的質(zhì)量為_____。

Answer 1

【答案】K＝c3(CO) 逆 amolL﹣1 0.005mol/(Lmin) 同一主族，從上到下，元素最高價(jià)氧化物對應(yīng)的水化物堿性逐漸增強(qiáng) 防止形成更易被氧化的氫氧化亞鐵(或亞鐵離子在堿性條件下更易被氧化) Li 1.4g

【解析】

(1)方程式中只有CO為氣體，平衡常數(shù)為CO濃度的三次方；CO濃度增大，平衡逆向移動(dòng)，因?yàn)槠胶獬��?shù)僅僅是溫度的函數(shù)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故達(dá)到平衡時(shí)，CO濃度不變；

(2)反應(yīng)進(jìn)行到20min時(shí)，容器內(nèi)固體的質(zhì)量減少了5.6g，說明生成5.6gCO，可計(jì)算CO的物質(zhì)的量濃度，進(jìn)而計(jì)算反應(yīng)速率；

(3)元素的金屬性越強(qiáng)，對應(yīng)的最高價(jià)氧化物的水化物的堿性越強(qiáng)；

(4)(NH4)2Fe(SO4)2和LiOH溶液直接混合，易生成氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵不穩(wěn)定；

(5)電池放電時(shí)原電池原理，Li失電子發(fā)生氧化反應(yīng)做原電池負(fù)極，FePO4在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成LiFePO4；結(jié)合根據(jù)電解飽和食鹽水方程式進(jìn)行計(jì)算電子轉(zhuǎn)移，依據(jù)電子守恒和電極反應(yīng)計(jì)算消耗鋰的質(zhì)量。

(1)方程式中只有CO為氣體，則K＝c3(CO)；CO濃度增大，平衡逆向移動(dòng)，但由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，故達(dá)到平衡時(shí)，CO濃度不變，仍為amolL﹣1，故答案為：K＝c3(CO)；逆；amolL﹣1；

(2)反應(yīng)進(jìn)行到20min時(shí)，容器內(nèi)固體的質(zhì)量減少了5.6g，說明生成了5.6gCO，則c(CO)0.1mol/L，0.005mol/(Lmin)，故答案為：0.005mol/(Lmin)；

(3)Li在周期表中位于同一主族的元素Na的上方，而從上到下，元素的金屬性增強(qiáng)，元素的金屬性越強(qiáng)，對應(yīng)的最高價(jià)氧化物的水化物的堿性就越強(qiáng)，則氫氧化鈉堿性比氫氧化鋰堿性強(qiáng)，故答案為：同一主族，從上到下，元素最高價(jià)氧化物對應(yīng)的水化物堿性逐漸增強(qiáng)；

(4)(NH4)2Fe(SO4)2和LiOH溶液直接混合，易生成氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，易被氧化而生成氫氧化鐵，故答案為：防止形成更易被氧化的氫氧化亞鐵(或亞鐵離子在堿性條件下更易被氧化)；

(5)電池放電時(shí)，Li失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，故其為原電池負(fù)極。若用該電池電解飽和食鹽水(電解池電極均為惰性電極) ，當(dāng)電解池兩極共有4480mL氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況)產(chǎn)生時(shí)，氣體物質(zhì)的量為0.2mol，生成氫氣和氯氣物質(zhì)的量各0.1mol，則根據(jù)關(guān)系式 可知，消耗鋰的質(zhì)量為0.2mol×7g/mol＝1.4g，故答案為：Li；1.4g。