Question

9．锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，某锂离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO₂）、铝箔和有机物导电剂等，现利用如图1流程回收正极材料中的某些资源．

请回答下列问题：
（1）用硫酸和过氧化氢酸浸时，一般在90℃下进行，写出该步骤中发生的主要氧化还原反应的化学反应方程式2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、
2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O．当有1mol LiCoO₂参加反应时，得到氧化产物的质量为16g．
（2）常温条件下调pH时，若使Al³⁺完全沉淀所需最小的pH为5（保留整数）．（已知：离子浓度等于或小于1．×10^-6时，认为其完全沉淀；Al（OH）₃的Ksp=1.13×10^-33）
（3）操作1的名称是萃取、分液．
（4）从平衡角度进行解释生成CoCO₃固体的原因HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- 溶液中Co²⁺浓度与CO₃^2- 浓度积即为浓度积大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移动．
（5）钴元素与铁元素都属于第 VIII族，它们的化合物有相似的性质，Co（OH）₂在空气中加热时，钴元素在固体残留物中的百分含量有如图2所示的变化．已知钴的氢氧化物加热至290℃时已完全脱水，则A点时，剩余固体的成分为Co₂O₃（填化学式）；在550-600℃范围内，剩余固体的成分为CoO、Co₃O₄（填化学式）．

Answer 1

分析 正极材料酸浸，并且加入稀硫酸、双氧水，涉及的氧化还原反应有2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；调节溶液的pH得到Al（OH）₃沉淀，过滤得到滤液和Al（OH）₃，通过操作1得到Li₂SO₄和有机相，操作1为萃取分液，然后反萃取得到有机相和CoSO₄，向溶液中加入碳酸氢铵溶液，发生反应为CO₃^2-+Co²⁺=CoCO₃↓，
（1）在酸性条件下，LiCoO₂和双氧水发生氧化还原反应，铝和硫酸发生氧化还原反应；2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化产物是氧气，根据LiCoO₂和氧气之间的关系式计算；
（2）根据溶度积常数计算溶液pH；
（3）该操作是萃取、分液；
（4）浓度积大于溶度积时产生沉淀；
（5）钴元素与铁元素都属于第 VIII族，它们的化合物有相似的性质，Co（OH）₂在空气中加热时，根据FeFe的氧化物，则Co的氧化物可能为Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
根据Co元素含量确定固体成分．

解答 解：（1）根据工艺流程中酸浸的过程中发生氧化还原反应有2LiCoO₂+3 H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2 CoSO₄+O₂↑+4H₂O；有Al（OH）₃固体和题干中的铝箔，易推知有铝与H₂SO₄溶液反应，所以离子方程式为：2Al+6H+=2Al³⁺+3H₂↑；因为反应是温度80℃，还会发生双氧水制氧气的反应：2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O，
2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化产物是氧气，1molLiCoO₂完全反应生成氧气0.5mol，其质量为16g，
故答案为：2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；16g；
（2）离子浓度等于或小于1.0×10^-6时，认为其完全沉淀；c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{1.13×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}$，c（OH^-）=10^-9 mol•L^-1，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-9}}$mol/L=10^-5 mol•L^-1，pH=5，
故答案为：5；
（3）该操作是萃取、分液，故答案为：萃取、分液；
（4）平衡移动原理，溶液中HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- Co²⁺浓度与CO₃^2- 浓度积即为浓度积大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移动，
故答案为：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，溶液中Co²⁺浓度与CO₃^2- 浓度积即为浓度积大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移动；
（5）钴元素与铁元素都属于第 VIII族，它们的化合物有相似的性质，Co（OH）₂在空气中加热时，根据FeFe的氧化物，则Co的氧化物可能为Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
所以A点成分为Co₂O₃，在550-600℃范围内，剩余固体的成分为Co₃O₄和CoO，
故答案为：Co₂O₃；CoO、Co₃O₄．

点评 本题考查物质分离和提纯，涉及工业流程、氧化还原反应、信息型方程式书写、Ksp计算、物质分离和提纯、化学平衡移动原理，综合性较强，把握基本反应原理及物质性质是解本题关键，侧重考查学生分析计算能力，难点是（5）题固体成分判断，题目难度中等．