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”,是锂离子电池的电极材料。工业上常用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)为原料制取锂离子电池正极材料LiFePO₄,工艺流程如图:

已知:①残留在溶液中的离子浓度小于10^-5 mol·L^-1 说明该离子沉淀完全;

②常温下，K_sp[Al(OH)₃]=2.7×10^-34、K_sp[Mg(OH)₂]= 1.2×10^-1 ;

③LiFePO₄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______ , 滤渣2的主要成分是______(写化学式)。

（2）操作I所需的玻璃仪器名称有烧杯____________，操作 3的名称是_____________。

（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）一种锂离子电池的反应原理为LiFePO₄Li+FePO₄。写出放电时正极电极反应式:_____________________________。

（6）若某企业制备110.6 t纯净的LiFePO₄,需要300t含氧化锂5%的β锂辉矿石,则锂元素的利用率为__________________。

Answer

+5； Mg(OH)2，CaCO3 漏斗、玻璃棒 分液 增大溶液中Li+浓度，便于生成LiFePO4 Li++Fe2++H2PO4-= LiFePO4↓+2H+ FePO4+ Li++e-=LiFePO4 70%

【解析】

根据Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34，残留在溶液中的离子浓度小于10-5 mol·L-1，说明该离子沉淀完全，可计算铝离子完全沉淀的pH；计算过程如下：2.7×10-34=10-5 mol·L-1×,解得c(OH-)=3×10-10 mol·L-1，c(H+)==10-4.7，pH=4.7；同理Mg2+完全沉淀的pH=11.1，故第一步调pH=6后，Al3+已经形成沉淀，Mg2+未形成沉淀，所以滤渣1为SiO2和Al(OH)3，滤渣2为Mg(OH)2，CaCO3；Li2SO4溶液中还有一定的杂质Na+，据此解答。

（1）化合物中，化合价代数和为0，设P的化合价为x，则有(+2)×5+x×3+(-1)×1+(-2)×12=0，解得x=+5；由上面的分析可知，滤渣2主要还有Mg(OH)2，CaCO3，故答案为：+5；Mg(OH)2，CaCO3；

（2）操作1为过滤，所需的玻璃仪器名称有烧杯、漏斗、玻璃棒；操作2为萃取，操作3得到水相和有机相，因此为分液，故答案为：漏斗、玻璃棒；分液；

（3）蒸发浓缩Li2SO4，增大了溶液中Li+浓度，便于生成LiFePO4，故答案为：增大溶液中Li+浓度，便于生成LiFePO4；

（4）从合成前后的物质元素分析来看，所有元素化合价都未变化，为简单的离子反应，离子方程式为：Li++Fe2++H2PO4-=LiFePO4↓+2H+，故答案为：Li++Fe2++H2PO4-=LiFePO4↓+2H+；

（5）放电时工作原理为原电池原理，正极得电子，化合价降低，被还原，电极反应式为：FePO4+ Li ++e-=LiFePO4，故答案为：FePO4+ Li ++e-=LiFePO4；

（6）300t含氧化锂5%的锂辉矿石中Li2O的质量=300t×5%=15t，根据锂原子守恒Li2O和LiFePO4的关系式为Li2O～2LiFePO4计算如下,实际得到110.6t,则利用率= ×100%=70%，故答案为:70%。