Question

【題目】2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)用于獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)鋰離子電池的發(fā)展做出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。鋰離子電池如今被用于各個(gè)領(lǐng)域，使一個(gè)無化石燃料的社會(huì)成為可能。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 Al2O34SiO2，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：Li2OAl2O34SiO2＋H2SO4(濃)Li2SO4＋Al2O34SiO2H2O↓回答下列問題:

(1)LiFePO4 中鐵元素的化合價(jià)為_____，鐵元素進(jìn)行焰色反應(yīng)的顏色是_______(填序號(hào))。

A．無焰色反應(yīng) B．黃色 C．紫色 D．磚紅色

(2)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)的化學(xué)方程式為___；濾渣2 的主要成分是 Fe(OH)3、___(填化學(xué)式)

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

(4)流程中加H2C2O4和FePO4，用于煅燒制備 LiFePO4，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為____。

(5)若濾液1中c(Mg2+)=0.2 mol/L，向其中加入雙氧水和磷酸(設(shè)溶液體積增加 1 倍)，使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中 c(Fe3+)=1.0×10-5 mol/L，此時(shí)是否有 Mg3 (PO4)2 沉淀生成？_____(列式計(jì)算說明)。已知 FePO4 、Mg3 (PO4)2 的 Ksp 分別為 1.3×10-22、1.0×10-24。(6)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: ____。

Answer 1

【答案】+2 A Fe2(SO4)3+3H2SO4+6CaCO3= 2Fe(OH)3+6CaSO4+6CO2↑ Mg(OH)2 CaSO4 減小 Li2CO3 的溶解損失 Li2CO3+H2C2O4+2FePO4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O↑ 由 Ksp(FePO4)可知 c(PO)= =1.3×10-17mol·L－1；Qc[Mg3(PO4)2]= c3(Mg2+)· c2(PO)= ×(1.3×10-17mol·L－1)2=1.69×10-37<Ksp，因此不會(huì)生成 Mg3(PO4)2 沉淀 FePO4+ Li ++e-=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濾渣1主要成分為Al2O3·4SiO2·H2O，濾液中的主要陽離子有Fe3＋、Mg2＋、Ca2＋、Li＋；加入碳酸鈣和石灰乳可以將過量的氫離子和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)由化合價(jià)代數(shù)和等于0得：LiFePO4 中鐵元素的化合價(jià)為+2價(jià)，鐵元素進(jìn)行焰色反應(yīng)的顏色是無焰色反應(yīng)，故答案為：+2；A；

(2)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，溶液中有過量的硫酸，所以方程式為Fe2(SO4)3+3H2SO4+6CaCO3= 2Fe(OH)3+6CaSO4+6CO2↑；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；故答案為：Fe2(SO4)3+3H2SO4+6CaCO3= 2Fe(OH)3+6CaSO4+6CO2↑；Mg(OH)2以及CaSO4；

(3)已知碳酸鋰在水中的溶解度隨溫度升高而減小，上述流程中趁熱過濾的目的是減小碳酸鋰的溶解度，減少碳酸鋰的溶解損耗；故答案為：減少碳酸鋰的溶解損耗；

(4)流程中加H2C2O4和FePO4，煅燒制備過程的原料為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↑。故答案為：Li2CO3+H2C2O4+2FePO4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O↑；

(5)若濾液1中c(Mg2＋)=0.2 mol·L－1，向其中加入雙氧水和磷酸(設(shè)溶液體積增加1倍)，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中 c(Fe3＋)=1.0×10-5mol·L－1，由 Ksp(FePO4)可知 c(PO)= =1.3×10-17mol·L－1；Qc[Mg3(PO4)2]= c3(Mg2+)· c2(PO)= ×(1.3×10-17mol·L－1)2=1.69×10-37<Ksp，因此不會(huì)生成 Mg3(PO4)2 沉淀。故答案為：由 Ksp(FePO4)可知 c(PO)= =1.3×10-17mol·L－1；Qc[Mg3(PO4)2]= c3(Mg2+)· c2(PO)= ×(1.3×10-17mol·L－1)2=1.69×10-37<Ksp，因此不會(huì)生成 Mg3(PO4)2 沉淀；

(6)一種鋰離子電池的反應(yīng)原理為LiFePO4Li+FePO4，放電時(shí)正極鐵元素得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式: FePO4＋ Li ++e－=LiFePO4。故答案為：FePO4＋Li ++e－=LiFePO4。