Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予在開(kāi)發(fā)鋰離子電池方面做出卓越貢獻(xiàn)的三位化學(xué)家。鋰被譽(yù)為“高能金屬”,是鋰離子電池的電極材料。工業(yè)上常用β鋰輝礦(主要成分為Li2O·Al2O3·4SiO2以及少量鈣、鎂雜質(zhì))和氟磷灰石(Ca5P3FO12)為原料制取鋰離子電池正極材料LiFePO4,工藝流程如圖:

已知:①殘留在溶液中的離子濃度小于10-5 mol·L-1 說(shuō)明該離子沉淀完全;

②常溫下，Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34、Ksp[Mg(OH)2]= 1.2×10-1 ;

③LiFePO4難溶于水。

回答下列問(wèn)題:

（1）氟磷灰石(Ca5P3FO12 )中磷元素的化合價(jià)為______ , 濾渣2的主要成分是______(寫化學(xué)式)。

（2）操作I所需的玻璃儀器名稱有燒杯____________，操作 3的名稱是_____________。

（3）蒸發(fā)濃縮Li2SO4溶液的目的是_____________________。

（4）寫出合成反應(yīng)的離子方程式:____________________________________。

（5）一種鋰離子電池的反應(yīng)原理為LiFePO4Li+FePO4。寫出放電時(shí)正極電極反應(yīng)式:_____________________________。

（6）若某企業(yè)制備110.6 t純凈的LiFePO4,需要300t含氧化鋰5%的β鋰輝礦石,則鋰元素的利用率為__________________。

Answer 1

【答案】+5； Mg(OH)2，CaCO3 漏斗、玻璃棒 分液 增大溶液中Li+濃度，便于生成LiFePO4 Li++Fe2++H2PO4-= LiFePO4↓+2H+ FePO4+ Li++e-=LiFePO4 70%

【解析】

根據(jù)Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34，殘留在溶液中的離子濃度小于10-5 mol·L-1，說(shuō)明該離子沉淀完全，可計(jì)算鋁離子完全沉淀的pH；計(jì)算過(guò)程如下：2.7×10-34=10-5 mol·L-1×,解得c(OH-)=3×10-10 mol·L-1，c(H+)==10-4.7，pH=4.7；同理Mg2+完全沉淀的pH=11.1，故第一步調(diào)pH=6后，Al3+已經(jīng)形成沉淀，Mg2+未形成沉淀，所以濾渣1為SiO2和Al(OH)3，濾渣2為Mg(OH)2，CaCO3；Li2SO4溶液中還有一定的雜質(zhì)Na+，據(jù)此解答。

（1）化合物中，化合價(jià)代數(shù)和為0，設(shè)P的化合價(jià)為x，則有(+2)×5+x×3+(-1)×1+(-2)×12=0，解得x=+5；由上面的分析可知，濾渣2主要還有Mg(OH)2，CaCO3，故答案為：+5；Mg(OH)2，CaCO3；

（2）操作1為過(guò)濾，所需的玻璃儀器名稱有燒杯、漏斗、玻璃棒；操作2為萃取，操作3得到水相和有機(jī)相，因此為分液，故答案為：漏斗、玻璃棒；分液；

（3）蒸發(fā)濃縮Li2SO4，增大了溶液中Li+濃度，便于生成LiFePO4，故答案為：增大溶液中Li+濃度，便于生成LiFePO4；

（4）從合成前后的物質(zhì)元素分析來(lái)看，所有元素化合價(jià)都未變化，為簡(jiǎn)單的離子反應(yīng)，離子方程式為：Li++Fe2++H2PO4-=LiFePO4↓+2H+，故答案為：Li++Fe2++H2PO4-=LiFePO4↓+2H+；

（5）放電時(shí)工作原理為原電池原理，正極得電子，化合價(jià)降低，被還原，電極反應(yīng)式為：FePO4+ Li ++e-=LiFePO4，故答案為：FePO4+ Li ++e-=LiFePO4；

（6）300t含氧化鋰5%的鋰輝礦石中Li2O的質(zhì)量=300t×5%=15t，根據(jù)鋰原子守恒Li2O和LiFePO4的關(guān)系式為Li2O～2LiFePO4計(jì)算如下,實(shí)際得到110.6t,則利用率= ×100%=70%，故答案為:70%。