Question

7．海水中含有豐富的鎂資源．鋰（Li）與鎂元素性質(zhì)相似．
（1）物質(zhì)的量為0.10mol的鋰在只含有N₂和O₂混合氣體的容器中燃燒，反應(yīng)后容器內(nèi)固體物質(zhì)的質(zhì)量m克，m的取值范圍是0.7＜m＜1.5；
（2）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(yīng)為LiCoO₂+C₆$\frac{充電}{放電}$CoO₂+LiC₆，則放電時電池的正極反應(yīng)為CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂．
（3）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Al、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(xué)反應(yīng)方程式為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O．
②調(diào)整PH=5-6的目的是使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃除去．

Answer 1

分析 （1）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(yīng)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(yīng)生成固體量最大，假設(shè)鋰沒有反應(yīng)，則固體量最少，計算出固體的范圍，然后解答；
（2）放電時，該電池是原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)；
（3）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↓，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(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(yīng)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）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(yīng)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(shè)無二氧化碳，鋰完全與氧氣反應(yīng)，
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(shè)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(yīng)該在0.7g＜m＜1.5g之間，
故答案為：0.7g＜m＜1.5g；
（2）放電時，該電池是原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂，
故答案為：CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂；
（3）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↓，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(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，
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(yīng)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 本題考查了化學(xué)方程式計算，原電池原理和離子除雜實驗過程的理解應(yīng)用，要求能定量地分析發(fā)生的反應(yīng)，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．