Question

廢舊鋰離子電池的正極材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）可用于回收鈷、鋰，實驗方法如下：

已知：Fe³⁺開始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺開始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2； Co²⁺完全沉淀pH=9.15
（1）在上述溶解過程中，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，LiCoO₂在溶解過程中反應(yīng)的化學方程式為

 

，氧化劑是

 

．
（2）在上述除雜過程中，通入空氣的作用是

 

．通入空氣和加入NaOH溶液后發(fā)生的離子方程式

 

，廢渣的主要成分是Al （OH）₃和

 

．
（3）“沉淀鈷”和“沉淀鋰”的離子方程式分別為

 

、

 

．
（4）該工藝可回收的副產(chǎn)品是

 

（寫化學式）．

Answer 1

考點：物質(zhì)分離和提純的方法和基本操作綜合應(yīng)用

專題：

分析：正極材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，F(xiàn)e、Al和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽和氫氣，發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑、2Al+6H⁺=2Al³⁺+3H₂↑，酸性條件下S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，所以硫代硫酸鈉和LiCoO₂反應(yīng)方程式為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；然后向溶液中充入空氣，亞鐵離子不穩(wěn)定，易被氧化為鐵離子，同時向溶液中加入NaOH溶液，發(fā)生的反應(yīng)為4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，F(xiàn)e³⁺開始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺開始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2，所以條件溶液的pH為5-6時，鐵離子完全沉淀，過濾得到的廢渣為 Fe（OH）₃；
過濾后向溶液中再加入NaOH溶液并調(diào)節(jié)溶液的pH為9-10，發(fā)生的離子反應(yīng)為Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓，過濾得到Co（OH）₂，最后向濾液中加入NaOH、Na₂CO₃并調(diào)節(jié)溶液的pH為11-12，發(fā)生的離子反應(yīng)為2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，再結(jié)合題目分析解答．

解答： 解：正極材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，F(xiàn)e、Al和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽和氫氣，發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑、2Al+6H⁺=2Al³⁺+3H₂↑，酸性條件下S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，所以硫代硫酸鈉和LiCoO₂反應(yīng)方程式為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；然后向溶液中充入空氣，亞鐵離子不穩(wěn)定，易被氧化為鐵離子，同時向溶液中加入NaOH溶液，發(fā)生的反應(yīng)為4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，F(xiàn)e³⁺開始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺開始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2，所以條件溶液的pH為5-6時，鐵離子完全沉淀，過濾得到的廢渣為 Fe（OH）₃；
過濾后向溶液中再加入NaOH溶液并調(diào)節(jié)溶液的pH為9-10，發(fā)生的離子反應(yīng)為Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓，過濾得到Co（OH）₂，最后向濾液中加入NaOH、Na₂CO₃并調(diào)節(jié)溶液的pH為11-12，發(fā)生的離子反應(yīng)為2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，
（1）通過以上分析知，LiCoO₂在溶解過程中反應(yīng)的化學方程式為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O，該反應(yīng)中Co元素化合價由+3價變?yōu)?2價、S元素化合價由-2價變?yōu)?6價，所以氧化劑是LiCoO₂，故答案為：8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；LiCoO₂；
（2）Fe³⁺開始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2，需要的pH較小，且亞鐵離子不穩(wěn)定易被氧氣氧化，所以充入氧氣的目的是將亞鐵離子氧化為鐵離子，條件溶液的pH從而除去鐵離子；
發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓，通過以上分析知廢渣的主要成分是Al （OH）₃和 Fe（OH）₃，
故答案為：將亞鐵離子氧化為鐵離子；4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓； Fe（OH）₃；
（3）通過以上分析知，“沉淀鈷”和“沉淀鋰”的離子方程式分別為Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓、2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，故答案為：Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓；2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓；
（4）最終的濾液中溶質(zhì)成分有硫酸鈉，所以可以回收的副產(chǎn)物是Na₂SO₄，故答案為：Na₂SO₄．

點評：本題考查物質(zhì)的分離和提純，側(cè)重考查工藝流程的分析，涉及沉淀的生成與pH的關(guān)系、物質(zhì)的性質(zhì)、基本實驗操作等知識點，明確物質(zhì)性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，知道每一步發(fā)生的反應(yīng)及分離方法，題目難度中等．