Question

11．锂因其重要的用途，被誉为“能源金属”和“推动世界前进的金属”．
（1）Li₃N可由Li在N₂中燃烧制得．取4.164g 锂在N₂中燃烧，理论上生成Li₃N6.964g；因部分金属Li没有反应，实际反应后固体质量变为6.840g，则固体中Li₃N的质量是6.656g（保留三位小数，Li₃N的式量：34.82）
（2）已知：Li₃N+3H₂O→3LiOH+NH₃↑．取17.41g纯净Li₃N，加入100g水，充分搅拌，完全反应后，冷却到20℃，产生的NH₃折算成标准状况下的体积是11.2L．过滤沉淀、洗涤、晾干，得到LiOH固体26.56g，计算20℃时LiOH的溶解度12.8g．（保留1位小数，LiOH的式量：23.94．写出计算过程）
锂离子电池中常用的LiCoO₂，工业上可由碳酸锂与碱式碳酸钴制备．
（3）将含0.5molCoCl₂的溶液与含0.5molNa₂CO₃的溶液混合，充分反应后得到碱式碳酸钴沉淀53.50g；过滤，向滤液中加入足量HNO₃酸化的AgNO₃溶液，得到白色沉淀143.50g，经测定溶液中的阳离子只有Na⁺，且Na⁺有1mol；反应中产生的气体被足量NaOH溶液完全吸收，使NaOH溶液增重13.20g，通过计算确定该碱式碳酸钴的化学式，写出制备碱式碳酸钴反应的化学方程式．
（4）Co₂（OH）₂CO₃和Li₂CO₃在空气中保持温度为600～800℃，可制得LiCoO₂，已知：
3Co₂（OH）₂CO₃+O₂→2Co₃O₄+3H₂O+3CO₂；4Co₃O₄+6Li₂CO₃+O₂→12LiCoO₂+6CO₂
按钴和锂的原子比1：1混合固体，空气过量70%，800℃时充分反应，计算产物气体中CO₂的体积分数．（保留三位小数，已知空气组成：N₂体积分数0.79，O₂体积分数0.21）

Answer 1

分析 （1）根据方程式6Li+N₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2Li₃N计算；设反应后Li的质量为xg，Li₃N的质量为yg，根据已知数据列方程组计算；
（2）根据n（Li₃N）=$\frac{m}{M}$计算，再根据N元素守恒计算氨气的物质的量和体积；根据方程式计算出生成的LiOH的质量，由得到LiOH固体26.56g，可求出溶液中LiOH的质量，再求出溶解度；
（3）含0.5molCoCl₂的溶液与含0.5molNa₂CO₃的溶液混合，生成气体为氢氧化钠吸收是二氧化碳，根据碳元素守恒，可知碱式碳酸钴中的碳酸根离子为0.2mol，根据氯化银的质量判断氯离子全部在溶液中，再根据电荷守恒计算氢氧根离子的物质的量，再由碱式碳酸钴沉淀53.50g、钴元素的质量、碳酸根离子的质量和氢氧根离子的质量求出结晶水的质量和物质的量，然后求出碱式碳酸钴的化学式；
（4）由3Co₂（OH）₂CO₃+O₂→2Co₃O₄+3H₂O+3CO₂；4Co₃O₄+6Li₂CO₃+O₂→12LiCoO₂+6CO₂
可得方程式：6Co₂（OH）₂CO₃+6Li₂CO₃+3O₂$\frac{\underline{\;600～800℃\;}}{\;}$12LiCoO₂+6H₂O+12CO₂；
令参加反应的氧气为3mol，则相当于$\frac{3}{0.21}$mol空气，空气过量70%，则空气通入（1+0.7）×$\frac{3}{0.21}$mol，生成6mol水（g）和12mol CO₂，据此计算CO₂的体积分数．

解答 解：（1）设生成的Li₃N为xg，
6Li+N₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2Li₃N
6×6.94     2×34.82
4.164g        mg
则m=$\frac{2×34.82×4.164g}{6×6.94}$=6.964g；
设反应后Li的质量为xg，Li₃N的质量为yg，
则xg+yg=6.840g，xg+yg×$\frac{3×6.94}{34.82}$=4.164g；
解得：x=0.184，y=6.656；
故答案为：6.964；6.656；
（2）已知：Li₃N+3H₂O→3LiOH+NH₃↑，17.41gLi₃N的物质的量为n=$\frac{m}{M}$=$\frac{17.41g}{34.82g/mol}$=0.5mol，
由氮元素守恒可知，n（NH₃）=0.5mol，则氨气的体积V=nVm=11.2L；
由Li元素守恒可知n（LiOH）=0.5mol×3=1.5mol，则m（LiOH）=nM=1.5mol×23.94g/mol=35.91g，
m（水）=100-1.5mol×18g/mol=73g，
则$\frac{s}{100}$=$\frac{35.91-26.56}{73}$，解得s=12.8g；
故答案为：11.2；12.8g；
（3）反应中产生的气体被足量NaOH溶液完全吸收，使NaOH溶液增重13.20g，则由元素守恒可知该物质为是二氧化碳，其物质的量为$\frac{13.20g}{44g/mol}$=0.3mol，由碳元素守恒可知，碱式碳酸钴中的碳酸根离子为0.2mol；加入足量HNO₃酸化的AgNO₃溶液，得到白色沉淀143.50g，则143.50g是氯化银沉淀，其物质的量为1mol，则氯离子为1mol，又根据钠离子为1mol，则碱式碳酸钴中不含钠元素和氯元素，所以碱式碳酸钴中有钴0.5mol，碳酸根离子为0.2mol，根据电荷守恒，应含氢氧根离子为0.6mol，
碱式碳酸钴中结晶水的质量为：53.50g-0.5mol×58.93g/mol-0.2mol×60g/mol-0.6mol×17g/mol=1.8g，则n（水）=0.1mol，
所以碱式碳酸钴中：钴离子0.5mol，碳酸根离子为0.2mol，氢氧根离子为0.6mol，结晶水0.1mol，
则碱式碳酸钴的化学式：2CoCO₃•3Co（OH）₂•H₂O；
则制备碱式碳酸钴反应的化学方程式：5CoCl₂+5Na₂CO₃+4H₂O=2CoCO₃•3Co（OH）₂•H₂O+10NaCl+3CO₂↑；
答：碱式碳酸钴的化学式2CoCO₃•3Co（OH）₂•H₂O；制备碱式碳酸钴反应的化学方程式为：5CoCl₂+5Na₂CO₃+4H₂O=2CoCO₃•3Co（OH）₂•H₂O+10NaCl+3CO₂↑；
（4）由3Co₂（OH）₂CO₃+O₂→2Co₃O₄+3H₂O+3CO₂；4Co₃O₄+6Li₂CO₃+O₂→12LiCoO₂+6CO₂
可得方程式：6Co₂（OH）₂CO₃+6Li₂CO₃+3O₂$\frac{\underline{\;600～800℃\;}}{\;}$12LiCoO₂+6H₂O+12CO₂；
令参加反应的氧气为3mol，则相当于$\frac{3}{0.21}$mol空气，空气过量70%，则空气通入（1+0.7）×$\frac{3}{0.21}$mol，生成6mol水（g）和12mol CO₂；
所以产物气体中CO₂的体积分数=$\frac{12mol}{（12+6-3+1.7×\frac{3}{0.21}）mol}$=0.305；
答：产物气体中CO₂的体积分数为0.305．

点评 本题考查了有关化学方程式的计算，题目难度较大，侧重于考查学生的分析能力和计算能力．