Question

2019年诺贝尔化学奖颁给了日本吉野彰等三人，以表彰他们对锂离子电池研发的卓越贡献。

(1)自然界中主要的锂矿物为锂辉石、锂云母、透锂长石和磷锂铝石等。为鉴定某矿石中是否含有锂元素，可以采用焰色反应来进行鉴定，当观察到火焰呈________，可以认为存在锂元素。

A.紫红色  B.紫色  C.黄色

(2)工业中利用锂辉石（主要成分为LiAlSi₂O₆，还含有FeO、CaO、MgO等）制备钴酸锂(LiCoO₂)的流程如下：

已知：部分金属氢氧化物的pK_sp（pK_sp=-lgK_sp）的柱状图如图1。

回答下列问题：

①锂辉石的主要成分为LiAlSi₂O₆，其氧化物的形式为________。

②为提高“酸化焙烧”效率，常采取的措施是________。

③向“浸出液”中加入CaCO₃，其目的是除去“酸化焙烧”中过量的硫酸，控制pH使Fe³⁺、A1³⁺完全沉淀，则pH至少为_______ 。(已知：完全沉淀后离子浓度低于1×l0^-5) mol/L）

④“滤渣2”的主要化学成分为 _______。

⑤“沉锂”过程中加入的沉淀剂为饱和的 __________(化学式）溶液；该过程所获得的“母液”中仍含有大量的Li⁺，可将其加入到“ ___________”步骤中。

⑥Li₂CO₃与Co₃O₄在敞口容器中高温下焙烧生成钴酸锂的化学方程式为__________。

(3)利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出石墨烯电池，电池反应式为LiCoO₂+C₆Li_xC₆+Li_1-xCoO₂其工作原理如图2。

下列关于该电池的说法正确的是___________（填字母）。

A.过程1为放电过程

B.该电池若用隔膜可选用质子交换膜

C.石墨烯电池的优点是提高电池的储锂容量进而提高能量密度

D.充电时，LiCoO₂极发生的电极反应为LiCoO₂-xe^－＝xLi^＋+Li_1-xCoO₂

E.对废旧的该电池进行“放电处理”让Li⁺嵌入石墨烯中而有利于回收

Answer

a Li2O·Al2O3·4SiO2 将矿石细磨(搅拌、升高温度或其他合理答案) 4.7 Mg(OH)2、CaCO3 Na2CO3(或其他合理答案) 净化 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 CD

【解析】

(1)焰色反应常用来检测金属元素，高中要求学生记住钠元素的焰色为黄色，钾元素的焰色为紫色，利用排除法可以选择出锂元素的焰色为紫红色。故答案为：a；

(2)①硅酸盐改写成氧化物形式的方法如下：a.氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。b.各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。C．当计量数配置出现分数时应化为整数。锂辉石的主要成分为LiAlSi2O6，根据方法，其氧化物的形式为Li2O·Al2O3·4SiO2。

②流程题目中为提高原料酸浸效率，一般采用的方法有：减小原料粒径(或粉碎)、适当增加酸溶液浓度、适当升高温度、搅拌、多次浸取等。本题中为“酸化焙烧”，硫酸的浓度已经最大，因此合理的措施为将矿石细磨、搅拌、升高温度等。

③根据柱状图分析可知，Al(OH)3的Ksp大于Fe(OH)3的，那么使Al3＋完全沉淀pH大于Fe3＋的，Al(OH)3的Ksp=1×10-33，c(OH-)=mol/L=1×10-9.3mol·L-1，c(H＋)=1×10-4.7mol·L-1，pH=4.7，即pH至少为4.7。

④“净化”步骤是尽最大可能除去杂质离子，如Mg2＋、Ca2＋等，结合加入物质Ca(OH)2、Na2CO3，可以推出“滤渣2”的主要成分为Mg(OH)2、CaCO3。

⑤根据“沉锂”后形成Li2CO3固体，以及大量生产的价格问题，该过程中加入的沉淀剂最佳答案为Na2CO3溶液；该过程所获得的“母液”中仍含有大量的Li+，需要从中2次提取，应回到“净化”步骤中循环利用。

⑥Li2CO3与Co3O4在敝口容器中反应生成LiCoO2时Co元素的化合价升高，因此推断空气中O2参与反应氧化Co元素，化学方程式为6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2。

(3)A.电池反应式为LiCoO2+C6LixC6+Li1-xCoO2，由此可知，放电时，负极电极反应式为LixC6-xe-=xLi＋+C6，正极电极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2。石墨电极为放电时的负极，充电时的阴极，过程1为Li+向石墨电极移动，因此为充电过程，A错误；B.该电池是利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性而制作，因此隔膜不能选择质子交换膜，B错误；C.石墨烯电池利用的是Li元素的得失电子，因此其优点是在提高电池的储锂容量的基础上提高了能量密度，C正确；D.充电时，LiCoO2极为阳极，将放电时的正极电极反应式逆写即可得，即LiCoO2极发生的电极反应为LiCoO2-xe－＝xLi＋+Li1-xCoO2，D正确；对废旧的该电池进行“放电处理”让Li+嵌入LiCoO2中才有利于回收，E错误。故答案为：CD。