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pKsp(pKsp=-­lgKsp)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“沉锂”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。

⑤Li₂CO₃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+C₆ Li_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．电池反应式中过程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 将矿石细麿(搅拌、升高温度或其他合理答案) 4.7 净化 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 CD

【解析】

(1)锂元素焰色反应是紫红色；

(2) ①将硅酸盐改写成氧化物形式，按活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水的次序写，保证原子总数、化合价不变，按化合价分别写化学式，如有多个原子，在前面加上系数，使之成为倍数；

②结合影响反应速率的因素分析；

③结合pKsp及沉淀完全时溶液中离子浓度低于1×l0-5mol/L计算即可；

④由流程可知将净化后的溶液蒸发、浓缩得到Li2S；

⑤Li2CO3与Co3O4在有氧气参与的情况下，高温焙烧生成钴酸锂和CO2，结合电子守恒和原子守恒写出发生反应的化学方程式；

(3) 根据电池反应式知，负极反应式为LixC6-xe-=C6+xLi+、正极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，充电时，阴极、阳极反应式与负极、正极反应式正好相反，根据二次电池的工作原理结合原电池和电解池的工作原理来解答。

(1) 锂元素焰色反应颜色为紫红色，故答案为A；

(2) ①LiAlSi2O6可表示为：Li2O•Al2O3•4SiO2；

②采取将矿石细麿，酸化时并搅拌，以及升高温度等措施，可提高“酸化焙烧”效率；

③已知pKsp[Al(OH)3]=33，pKsp[Fe(OH)3]=38，则Al3+溶液完全时溶液中c(OH-)=mol/L≈10-9.3mol/L，此时溶液的pH=4.7；而Fe3+溶液完全时溶液中c(OH-)=mol/L=10-11mol/L，此时溶液的pH=3，故控制pH至少为4.7时，能使Fe3+、A13+完全沉淀；

④由流程可知将净化后的溶液蒸发、浓缩得到Li2S ，则应将“沉锂”过程所获得的“母液”加入到净化步骤中；

⑤Li2CO3与Co3O4在有氧气参与的情况下，高温焙烧生成钴酸锂和CO2，则发生反应的化学方程式为6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2；

(3) A．过程1为锂离子嵌入石墨中，结合图②可知为充电过程，故A错误；

B．由电池反应，则需要锂离子由负极移向正极，所以该电池不可选用质子交换膜，故B错误；

C．石墨烯超强电池，该材料具有极佳的电化学储能特性，从而提高能量密度，故C正确；

D．充电时，LiCoO2极是阳极，发生失电子的氧化反应，电极反应式为：LiCoO2- xe- =Li1-xCoO2+xLi+，故D正确；

E．由图②可知，充电时锂离子嵌入石墨中，故E错误；

故答案为CD。