Question

10．海水中含有豐富的鎂資源．鋰（Li）與鎂元素性質(zhì)相似．
（1）某同學設計了從模擬海水中制備MgO的實驗方案：

模擬海水中的 離子濃度（mol/L）	Na+	Mg2+	Ca2+	Cl-	HCO3-
	0.439	0.050	0.011	0.560	0.001

注：溶液中某種離子的濃度小于1.0×10^-5mol/L，可認為該離子不存在；實驗過程中，假設溶液體積不變．
已知：K_sp（CaCO₃）=4.96×10^-9；K_sp（MgCO₃）=6.82×10^-6；
K_sp[Ca（OH）₂]=4.68×10^-6；K_sp[Mg（OH）₂]=5.61×10^-12
請回答：沉淀物X為CaCO₃（寫化學式）；濾液N中存在的金屬陽離子為Ca²⁺、Na⁺，；
步驟②中若改為加入 4.2gNaOH固體，沉淀物Y為Mg（OH）₂（寫化學式）．
（2）物質(zhì)的量為0.10mol的鋰在只含有CO₂和O₂混合氣體的容器中燃燒，反應后容器內(nèi)固體物質(zhì)的質(zhì)量m克，m的取值范圍是0.7g＜m＜1.5g；
（3）鋰電池是新一代高能電池，目前已研究成功多種鋰電池．某離子電池正極材料是含鋰的二氧化鈷（LiCoO₂），充電時LiCoO₂中Li被氧化，Li⁺遷移并以原子形式嵌入電池負極材料碳（C₆）中，以LiC₆表示．電池反應為LiCoO₂+C₆$?_{放電}^{充電}$CoO₂+LiC₆，則放電時電池的正極反應為CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂．
（4）為了回收廢舊鋰離子電池的正極材料試樣（主要含有LiCoO₂及少量AI、Fe等）可通過下列實驗方法回收鈷、鋰．

①在上述溶解過程中，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，LiCoO₂在溶解過程中的化學反應方程式為Na₂S₂O₃+8LiCoO₂+11H₂SO₄═4Li₂SO₄+8CoSO₄+11H₂O+Na₂SO₄．
②調(diào)整PH=5-6的目的是使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀除去．

Answer 1

分析 （1）步驟①，加入0.001mol NaOH時，OH^- 恰好與HCO₃^-完全反應，生成0.001molCO₃^2-．由于K_sp（CaCO₃）＜＜K_sp（MgCO₃），生成的CO₃^2-與水中的Ca²⁺反應生成CaCO₃ 沉淀，濾液M中同時存在著Ca²⁺和Mg²⁺；
步驟②，當濾液M中加入NaOH 固體，調(diào)至pH=11時，此時濾液中c（OH^-）=1×10^-3 mol•L^-1．
根據(jù)溶度積可判斷無Ca（OH）₂生成，有Mg（OH）₂沉淀生成；
根據(jù)溶度積可判斷無Ca（OH）₂生成，有Mg（OH）₂沉淀生成，所以Y為Mg（OH）₂；
（2）鋰條在只含有CO₂和O₂混合氣體的容器中燃燒，固體的質(zhì)量包括為未反應鋰的質(zhì)量、生成的碳的質(zhì)量和生成的氧化鋰的質(zhì)量，采用極限思維法，若鋰全部與氧氣反應生成固體量最大，假設鋰沒有反應，則固體量最少，計算出固體的范圍，然后解答；
（3）放電時，該電池是原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應；
（4）正極材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，F(xiàn)e、Al和稀硫酸反應生成硫酸鹽和氫氣，發(fā)生的離子反應方程式為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)生的反應為4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，所以調(diào)節(jié)溶液的pH為5-6時，鐵離子、鋁離子完全沉淀，過濾得到的廢渣為 Al（OH）₃、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)生的離子反應為2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，
①酸性條件下，S₂O₃²ˉ被氧化成SO₄²ˉ，則LiCoO₂被氧化生成Co²⁺，根據(jù)離子方程式的書寫規(guī)則，再根據(jù)氧化還原反應中得失電子結(jié)合原子守恒配平方程式；
②所以調(diào)節(jié)溶液的pH為5-6時，鐵離子、鋁離子完全沉淀，過濾得到的廢渣為 Al（OH）₃、Fe（OH）₃．

解答 解：（1）步驟①，從題給的條件，可知n（NaOH ）=0.001mol，[即n（OH^-）=0.001mol]．
依據(jù)離子反應“先中和、后沉淀、再其他”的反應規(guī)律，當1L模擬海水中，加入0.001mol NaOH時，OH^- 恰好與HCO₃^-完全反應：OH^-+HCO₃^-═CO₃^2-+H₂O，生成0.001molCO₃^2-，由于K_sp（CaCO₃）＜＜K_sp（MgCO₃），生成的CO₃^2-與水中的Ca²⁺反應生成CaCO₃ 沉淀Ca²⁺+CO₃^2-═CaCO₃↓．所以沉淀物X為CaCO₃；
當濾液M中加入NaOH 固體，調(diào)至pH=11（即pOH=3）時，此時濾液中c（OH^-）=1×10^-3 mol•L^-1．
則Q[Ca（OH）₂]=c（Ca²⁺）×（10^-3）²=0.010×（10^-3）²=10^-8＜K_sp[Ca（OH）₂]，無Ca（OH）₂生成；
Q[Mg（OH）₂]=c（Mg²⁺）×（10^-3）²=0.050×（10^-3）²=5×10^-8＞K_sp[Mg（OH）₂]，有Mg（OH）₂沉淀生成；
由于CO₃^2-只有0.001mol，反應生成CaCO₃ 所消耗的Ca²⁺也只有0.001mol，濾液中還剩余c（Ca²⁺）=0.010 mol•L^-1．濾液M中同時存在著Ca²⁺和Mg²⁺；由以上分析可知當濾液M中加入NaOH 固體，調(diào)至pH=11（即pOH=3）時，有Mg（OH）₂沉淀生成；又由于K_sp[Mg（OH）₂]=c（Mg²⁺）×（10^-3）²=5.6×10^-12，c（Mg²⁺）=5.6×10^-6＜10^-5，無剩余，濾液N中不存在Mg²⁺，所以Mg²⁺只存在M中，N溶液中含金屬陽離子，Ca²⁺、Na⁺，
步驟②中若改為加入4.2 g NaOH固體，則n（NaOH）=0.105mol，與0.05mol Mg²⁺反應：Mg²⁺+2OH^-═Mg（OH）₂↓，生成0.05 mol Mg（OH）₂，剩余0.005 mol OH^-，由于Q[Ca（OH）₂]=c（Ca²⁺）×c（OH^-）²=0.010×（0.005）²=2.5×10^-7＜K_sp[Ca（OH）₂]，所以無Ca（OH）₂沉淀析出，沉淀物Y為Mg（OH）₂沉淀，
故答案為：CaCO₃，Ca²⁺、Na⁺，Mg（OH）₂；
（2）鋰條在只含有CO₂和O₂混合氣體的容器中燃燒，固體的質(zhì)量包括為未反應鋰的質(zhì)量、生成的碳的質(zhì)量和生成的氧化鋰的質(zhì)量，
采用極限思維法，
如果生成固體質(zhì)量最大，則假設無二氧化碳，鋰完全與氧氣反應，
4Li+O₂ $\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2Li₂O，
4             2    
0.10mol   0.050mol
則0.1mol鋰最多可生成固體的質(zhì)量為0.050mol×30g/mol=1.5g，
再假設只有鋰，則固體最少，固體質(zhì)量為0.10mol×7g/mol=0.7克，
則固體的范圍應該在0.7g＜m＜1.5g之間，
故答案為：0.7g＜m＜1.5g；
（3）放電時，該電池是原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為：CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂，
故答案為：CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂；
（4）正極材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，F(xiàn)e、Al和稀硫酸反應生成硫酸鹽和氫氣，發(fā)生的離子反應方程式為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)生的反應為4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，所以調(diào)節(jié)溶液的pH為5-6時，鐵離子、鋁離子完全沉淀，過濾得到的廢渣為 Fe（OH）₃、Al（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)生的離子反應為2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，再結(jié)合題目分析解答，
①根據(jù)題意知，酸性條件下，S₂O₃²ˉ被氧化成SO₄²ˉ，則LiCoO₂被氧化生成Co²⁺，所以發(fā)生的離子反應方程式為：Na₂S₂O₃+8LiCoO₂+11H₂SO₄═4Li₂SO₄+8CoSO₄+11H₂O+Na₂SO₄，
故答案為：Na₂S₂O₃+8LiCoO₂+11H₂SO₄═4Li₂SO₄+8CoSO₄+11H₂O+Na₂SO₄；
②充入空氣的目的是將亞鐵離子氧化為鐵離子，調(diào)節(jié)溶液的PH=5-6除去鐵離子和鋁離子，
故答案為：使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀除去．

點評 本題考查了離子濃度及Ksp的有關計算，要求考生定量地分析發(fā)生的反應，溶液中存在的離子，推斷沉淀是否產(chǎn)生，從而得出正確的結(jié)論．計算強調(diào)了實用性以及認識、解決問題的綜合性，題目難度較大．