Question

6．磷酸亞鐵鋰LiFePO₄是一種新型汽車鋰離子電池的電極材料．某化工廠以鐵紅、鋰輝石LiAl（SiO₃）₂ （含少量Ca²⁺，Mg²⁺的鹽）、碳粉等原料來(lái)生產(chǎn)磷酸亞鐵鋰．其主要工藝流程如下：

已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O

溫度/℃	20	40	60	80
溶解度（Li2CO3）/g	1.33	1.17	1.01	0.85
溶解度（Li2SO4）/g	34.2	32.8	31.9	30.7

（1）從濾渣I中可分離出Al₂O₃，如下圖所示，請(qǐng)寫出生成沉淀的離子方程式Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺．

（2）濾渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃（填化學(xué)式）
（3）向?yàn)V液Ⅱ中加入飽和Na₂CO₃溶液，過(guò)濾后，用“熱水洗滌”的原因是Li₂CO₃的溶解度隨溫度升高而減小，熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損失
（4）寫出在高溫下生成磷酸亞鐵鋰的化學(xué)方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（5）磷酸亞鐵鋰電池總反應(yīng)為：FePO₄+Li $?_{充電}^{放電}$ LiFePO₄，電池中的固體電解質(zhì)可傳導(dǎo)Li⁺，試寫出該電池放電時(shí)的正極反應(yīng)：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．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1.4g．

Answer 1

分析 鋰輝石中加入硫酸后，依據(jù)已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，Al₂O₃•4SiO₂•H₂O沉淀出來(lái)，即濾渣I，濾液I中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向?yàn)V液中加入NaOH、Na₂CO₃，鎂離子和NaOH反應(yīng)生成氫氧化鎂沉淀，鈣離子和碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，所以濾渣II為Mg（OH）₂、CaCO₃，濾液II中含有硫酸鋰，向?yàn)V液中加入飽和碳酸鈉得到碳酸鋰沉淀，鐵和磷酸反應(yīng)生成磷酸鐵，C、磷酸鐵和碳酸鋰在高溫下反應(yīng)生成LiFePO₄，據(jù)此分析解答．

解答 解：（1）從濾渣Ⅰ溶于酸得到鋁離子，氫氧化鋁不溶于弱堿但能溶于強(qiáng)堿，所以a為氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼燒Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃，所以生成沉淀反應(yīng)即鋁離子與氨水反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀，離子反應(yīng)方程式為：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺，故答案為：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺；
（2）濾液I中存在Ca²⁺、Mg²⁺離子，經(jīng)過(guò)調(diào)解pH值后，Ca²⁺、Mg²⁺沉淀分別得到氫氧化鎂和碳酸鈣，所以濾渣Ⅱ的主要成分是Mg（OH）₂、CaCO₃，故答案為：Mg（OH）₂、CaCO₃；
（3）向?yàn)V液II中加入飽和Na₂CO₃溶液，過(guò)濾后，用“熱水洗滌”，圖表中碳酸鋰溶解度隨溫度升高減小，減少沉淀的損失，故答案為：Li₂CO₃的溶解度隨溫度升高而減小，熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損失；
（4）依據(jù)圖示可知反應(yīng)物為FePO₄、Li₂CO₃和C，產(chǎn)物為：CO和LiFePO₄，此反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e、和C元素化合價(jià)變化，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理配平化學(xué)反應(yīng)方程式為：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，故答案為：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（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，F(xiàn)ePO₄在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成LiFePO₄，電極反應(yīng)為：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；
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，生成氫氣物質(zhì)的量0.1mol，依據(jù)電子守恒和電極反應(yīng)計(jì)算，
H₂～2Li～2e^-
0.1mol 0.2mol
消耗鋰的質(zhì)量=0.2mol×7g/mol=1.4g，
故答案為：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；1.4g．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的分離和提純，綜合性較強(qiáng)，涉及原電池原理、物質(zhì)分離和提純?cè)噭┑倪x取等知識(shí)點(diǎn)，明確化學(xué)反應(yīng)原理、物質(zhì)性質(zhì)及性質(zhì)差異性是解本題關(guān)鍵，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算及綜合知識(shí)運(yùn)用能力，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫．