Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎頒給了日本吉野彰等三人，以表彰他們對鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻。

(1)自然界中主要的鋰礦物為鋰輝石、鋰云母、透鋰長石和磷鋰鋁石等。為鑒定某礦石中是否含有鋰元素，可以采用焰色反應來進行鑒定，當觀察到火焰呈________，可以認為存在鋰元素。

A.紫紅色 B.紫色 C.黃色

(2)工業(yè)中利用鋰輝石(主要成分為LiAlSi2O6，還含有FeO、CaO、MgO等)制備鈷酸鋰(LiCoO2)的流程如下：

已知：部分金屬氫氧化物的pKsp(pKsp=-lgKsp)的柱狀圖如圖1。

回答下列問題：

①鋰輝石的主要成分為LiAlSi2O6，其氧化物的形式為________。

②為提高“酸化焙燒”效率，常采取的措施是________。

③向“浸出液”中加入CaCO3，其目的是除去“酸化焙燒”中過量的硫酸，控制pH使Fe3+、A13+完全沉淀，則pH至少為_______。(已知：完全沉淀后離子濃度低于1×l0-5)mol/L)

④“沉鋰”過程所獲得的“母液”中仍含有大量的Li+，可將其加入到“___________”步驟中。

⑤Li2CO3與Co3O4在敞口容器中高溫下焙燒生成鈷酸鋰的化學方程式為__________

(3)利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出石墨烯電池，電池反應式為LiCoO2+C6 LixC6+Li1-xCoO2 ，其工作原理如圖2。

下列關于該電池的說法正確的是___________(填字母)。

A．電池反應式中過程1為放電過程

B．該電池若用隔膜可選用質(zhì)子交換膜

C．石墨烯電池的優(yōu)點是提高電池的儲鋰容量進而提高能量密度

D．充電時，LiCoO2 極發(fā)生的電極反應為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2

E．對廢舊的該電池進行“放電處理”讓Li+嵌入石墨烯中而有利于回收

Answer 1

【答案】A Li2O·Al2O3·4SiO2 將礦石細麿(攪拌、升高溫度或其他合理答案) 4.7 凈化 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 CD

【解析】

(1)鋰元素焰色反應是紫紅色；

(2) ①將硅酸鹽改寫成氧化物形式，按活潑金屬氧化物、不活潑金屬氧化物、二氧化硅、水的次序?qū)�，保證原子總數(shù)、化合價不變，按化合價分別寫化學式，如有多個原子，在前面加上系數(shù)，使之成為倍數(shù)；

②結(jié)合影響反應速率的因素分析；

③結(jié)合pKsp及沉淀完全時溶液中離子濃度低于1×l0-5mol/L計算即可；

④由流程可知將凈化后的溶液蒸發(fā)、濃縮得到Li2S；

⑤Li2CO3與Co3O4在有氧氣參與的情況下，高溫焙燒生成鈷酸鋰和CO2，結(jié)合電子守恒和原子守恒寫出發(fā)生反應的化學方程式；

(3) 根據(jù)電池反應式知，負極反應式為LixC6-xe-=C6+xLi+、正極反應式為Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，充電時，陰極、陽極反應式與負極、正極反應式正好相反，根據(jù)二次電池的工作原理結(jié)合原電池和電解池的工作原理來解答。

(1) 鋰元素焰色反應顏色為紫紅色，故答案為A；

(2) ①LiAlSi2O6可表示為：Li2OAl2O34SiO2；

②采取將礦石細麿，酸化時并攪拌，以及升高溫度等措施，可提高“酸化焙燒”效率；

③已知pKsp[Al(OH)3]=33，pKsp[Fe(OH)3]=38，則Al3+溶液完全時溶液中c(OH-)=mol/L≈10-9.3mol/L，此時溶液的pH=4.7；而Fe3+溶液完全時溶液中c(OH-)=mol/L=10-11mol/L，此時溶液的pH=3，故控制pH至少為4.7時，能使Fe3+、A13+完全沉淀；

④由流程可知將凈化后的溶液蒸發(fā)、濃縮得到Li2S ，則應將“沉鋰”過程所獲得的“母液”加入到凈化步驟中；

⑤Li2CO3與Co3O4在有氧氣參與的情況下，高溫焙燒生成鈷酸鋰和CO2，則發(fā)生反應的化學方程式為6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2；

(3) A．過程1為鋰離子嵌入石墨中，結(jié)合圖②可知為充電過程，故A錯誤；

B．由電池反應，則需要鋰離子由負極移向正極，所以該電池不可選用質(zhì)子交換膜，故B錯誤；

C．石墨烯超強電池，該材料具有極佳的電化學儲能特性，從而提高能量密度，故C正確；

D．充電時，LiCoO2極是陽極，發(fā)生失電子的氧化反應，電極反應式為：LiCoO2- xe- =Li1-xCoO2+xLi+，故D正確；

E．由圖②可知，充電時鋰離子嵌入石墨中，故E錯誤；

故答案為CD。