Question

2019年诺贝尔化学奖授予在开发锂离子电池方面做出卓越贡献的三位化学家。锂被誉为“高能金属”，是锂电池的电极材料，工业上用β-锂辉矿(主要成分为Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂以及少量钙、镁杂质)和氟磷灰石(Ca₅P₃FO₁₂)联合制取锂离子电池正极材料(LiFePO₄)，其工业生产流程如图：

已知：①K_sp[Al(OH)₃]=2.7×10^-34；

②LiFePO₄难溶于水。

回答下列问题：

（1）氟磷灰石(Ca₅P₃FO₁₂)中磷元素的化合价为___，沉淀X的主要成分是___(写化学式)。

（2）操作3的名称是___，操作1所需的玻璃仪器名称为___。

（3）蒸发浓缩Li₂SO₄溶液的目的是___。

（4）写出合成反应的离子方程式___。

（5）科学家设计一种锂电池的反应原理为LiFePO₄Li+FePO₄，放电时正极反应式为___。

（6）工业上取300吨含氧化锂5%的β-锂辉矿石，经上述变化得到纯净的LiFePO₄共110.6吨，则元素锂的利用率为___。

Answer

+5 CaCO3、Mg(OH)2 分液 烧杯、漏斗、玻璃棒 增大溶液中锂离子浓度，便于生成磷酸亚铁锂沉淀 H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+ FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4 70%

【解析】

β-锂辉矿焙烧后，溶于硫酸生成硫酸锂、硫酸铝、硫酸钙、硫酸镁和二氧化硅沉淀，调节pH为6，铝离子沉淀，滤液的硫酸镁能与氢氧化钙反应生成氢氧化镁沉淀，氢氧化钙能与碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，得到滤液硫酸锂蒸发浓缩后与磷酸二氢铵、硫酸亚铁反应生成难溶的LiFePO4。

⑴氟磷灰石(Ca5P3FO12)中Ca为+2价，O为-2价，F为-1价，根据化合物价态代数和为0得到磷元素的化合价为+5，β-锂辉矿焙烧后，溶于硫酸生成硫酸锂、硫酸铝、硫酸钙、硫酸镁和二氧化硅沉淀，调节pH为6，铝离子沉淀，滤液的硫酸镁能与氢氧化钙反应生成氢氧化镁沉淀，氢氧化钙能与碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，因此沉淀X的主要成份的化学式是CaCO3和Mg(OH)2；故答案为：+5；CaCO3、Mg(OH)2。

⑵观察流程可知，操作1得到硫酸钙，因此操作1为过滤，所需的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒，操作3得到有机相，因此操作3为分液；故答案为：分液；烧杯、漏斗、玻璃棒。

⑶蒸发浓缩Li2SO4溶液，可使溶液中锂离子浓度增大，便于生成磷酸亚铁锂沉淀；故答案为：增大溶液中锂离子浓度，便于生成磷酸亚铁锂沉淀。

⑷合成反应是磷酸二氢铵、磷酸亚铁和硫酸锂，产物为难溶的LiFePO4，其离子方程式H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+；故答案为：H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+。

⑸科学家设计一种锂电池的反应原理为LiFePO4Li+FePO4，则Li为负极，FePO4为正极，放电时正极反应式为FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4；故答案为：FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4。

⑹300吨含氧化锂5%的β-锂辉矿中Li2O的质量为300吨×5% = 15吨，根据关系式Li2O—2LiFePO4，理论上可生成磷酸亚铁锂为，则元素锂的利用率为；故答案为70%。