Question

6．磷酸亚铁锂LiFePO₄是一种新型汽车锂离子电池的电极材料．某化工厂以铁红、锂辉石LiAl（SiO₃）₂ （含少量Ca²⁺，Mg²⁺的盐）、碳粉等原料来生产磷酸亚铁锂．其主要工艺流程如下：

已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O

温度/℃	20	40	60	80
溶解度（Li2CO3）/g	1.33	1.17	1.01	0.85
溶解度（Li2SO4）/g	34.2	32.8	31.9	30.7

（1）从滤渣I中可分离出Al₂O₃，如下图所示，请写出生成沉淀的离子方程式Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺．

（2）滤渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃（填化学式）
（3）向滤液Ⅱ中加入饱和Na₂CO₃溶液，过滤后，用“热水洗涤”的原因是Li₂CO₃的溶解度随温度升高而减小，热水洗涤可减少Li₂CO₃的损失
（4）写出在高温下生成磷酸亚铁锂的化学方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（5）磷酸亚铁锂电池总反应为：FePO₄+Li $?_{充电}^{放电}$ LiFePO₄，电池中的固体电解质可传导Li⁺，试写出该电池放电时的正极反应：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．若用该电池电解饱和食盐水（电解池电极均为惰性电极）当电解池两极共有4480mL气体（标准状况、产生时，该电池消耗锂的质量为1.4g．

Answer 1

分析 锂辉石中加入硫酸后，依据已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，Al₂O₃•4SiO₂•H₂O沉淀出来，即滤渣I，滤液I中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向滤液中加入NaOH、Na₂CO₃，镁离子和NaOH反应生成氢氧化镁沉淀，钙离子和碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，所以滤渣II为Mg（OH）₂、CaCO₃，滤液II中含有硫酸锂，向滤液中加入饱和碳酸钠得到碳酸锂沉淀，铁和磷酸反应生成磷酸铁，C、磷酸铁和碳酸锂在高温下反应生成LiFePO₄，据此分析解答．

解答 解：（1）从滤渣Ⅰ溶于酸得到铝离子，氢氧化铝不溶于弱碱但能溶于强碱，所以a为氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼烧Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃，所以生成沉淀反应即铝离子与氨水反应生成氢氧化铝沉淀，离子反应方程式为：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺，故答案为：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺；
（2）滤液I中存在Ca²⁺、Mg²⁺离子，经过调解pH值后，Ca²⁺、Mg²⁺沉淀分别得到氢氧化镁和碳酸钙，所以滤渣Ⅱ的主要成分是Mg（OH）₂、CaCO₃，故答案为：Mg（OH）₂、CaCO₃；
（3）向滤液II中加入饱和Na₂CO₃溶液，过滤后，用“热水洗涤”，图表中碳酸锂溶解度随温度升高减小，减少沉淀的损失，故答案为：Li₂CO₃的溶解度随温度升高而减小，热水洗涤可减少Li₂CO₃的损失；
（4）依据图示可知反应物为FePO₄、Li₂CO₃和C，产物为：CO和LiFePO₄，此反应为氧化还原反应，Fe、和C元素化合价变化，依据氧化还原反应原理配平化学反应方程式为：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，故答案为：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（5）电池放电时原电池原理，Li失电子发生氧化反应做原电池负极，FePO₄在正极得到电子发生还原反应生成LiFePO₄，电极反应为：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；
若用该电池电解饱和食盐水（电解池电极均为惰性电极）当电解池两极共有4480mL气体（标准状况）产生时，气体物质的量为0.2mol，生成氢气物质的量0.1mol，依据电子守恒和电极反应计算，
H₂～2Li～2e^-
0.1mol 0.2mol
消耗锂的质量=0.2mol×7g/mol=1.4g，
故答案为：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；1.4g．

点评 本题考查物质的分离和提纯，综合性较强，涉及原电池原理、物质分离和提纯试剂的选取等知识点，明确化学反应原理、物质性质及性质差异性是解本题关键，侧重考查学生分析计算及综合知识运用能力，难点是电极反应式的书写．