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。锂离子电池的广泛应用要求处理电池废料以节约资源、保护环境。钴酸锂电池正极材料主要含有LiCoO₂、导电剂乙炔黑、铝箔及镀镍金属钢壳等，处理该废旧电池的一种工艺如下图所示：

回答下列问题：

(1)Li原子结构示意图为_______，LiCoO₂中Co的化合价是__________。

(2)用NaOH溶液处理正极材料的离子方程式为____________________________。

(3)“酸浸”过程中LiCoO₂发生反应的离子方程式为___________________________。保持其他因素不变的情况下，“酸浸”时Co、Li元素的浸出率随温度的变化如右图所示，当温度高于80℃时Co元素浸出率下降的原因有：

①Co^2＋水解加剧；②________________________________。

(4)调节pH的目的是使Ni^2＋和_______________(填离子符号)全部沉淀。

(5)“萃取”环节，钴、锂萃取率与平衡时溶液pH的关系如下图所示，为了实现钴、锂分离效果较好，pH一般选择______________(填整数)左右。

(6)“萃取”和“反萃取”可简单表示为，则反萃取过程中加入的试剂X是___________________________(填名称)。

(7)取CoC₂O₄固体4.41g在空气中加热至300℃，得到钴的氧化物2.41g和一种无毒无污染的气体，则该反应的化学方程式为____________________。

Answer

+3 H2O2部分分解 Fe3＋ 5 硫酸溶液

【解析】

由流程可知，加入NaOH碱液浸泡，将Al充分溶解，过滤后得到的滤液含有NaAlO2，滤渣为LiCoO2以及没有反应的乙炔黑、镀镍金属钢壳；加H2SO4，镀镍金属钢壳会溶解，得到Ni2＋、Fe2＋，加入双氧水，可以将Fe2＋氧化成Fe3＋；在后面的流程中，可知Co的化合价从LiCoO2中的＋3转化为＋2，与H2O2发生氧化还原反应。加入氨水调节溶液pH，可除去Ni2＋、Fe3＋；用萃取的方法，分离Li＋和Co2＋。最终得到Li2CO3和CoC2O4。

(1)Li的原子序数为3，其原子结构示意图为；根据化合价代数和为0，LiCoO2中Co的化合价为＋3；

(2)正极材料中含有Al，Al会与NaOH反应，离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O=2AlO2－＋3H2↑；

(3)加入硫酸和双氧水，将Li、Co等转化成相应的离子，LiCoO2中Co的化合价为＋3，而后面得到CoC2O4，Co的化合价为＋2，化合价降低，需要一个还原剂，双氧水可以作还原剂，发生的反应为2LiCoO2＋H2O2＋6H＋=2Li2＋＋2Co2＋＋O2↑＋4H2O；温度高于80℃时，Co元素浸出率下降，H2O2会分解，使得Co浸出率下降；

(4)加H2SO4，镀镍金属钢壳会溶解，得到Ni2＋、Fe2＋，加入双氧水，可以将Fe2＋氧化成Fe3＋，调节pH，可以将Ni2＋和Fe3＋转化为Ni(OH)2、Fe(OH)3以便除去；

(5)“萃取”环节，为了实现钴、锂分离。从图中可知，pH大于等于5时，Co萃取率已经达到100%，而pH越大，Li也会被萃取，使得Li和Co不能完全分离；因此pH一般选择5；

(6)根据萃取后得到CoSO4溶液，可知加入的应为H2SO4；X的名称为硫酸溶液；

(7)取CoC2O4固体4.41g在空气中加热至300℃，得到钴的氧化物2.41g，则n(CoC2O4)= 4.41g÷147g·mol－1=0.03mol，根据Co守恒，Co的氧化物中，O的质量为2.41－0.03mol×59g·mol－1=0.64g，则n(O)=0.64g÷16g·mol－1=0.4mol，氧化物中Co和O的物质的量之比为0.03mol：0.04mol=3:4，则该氧化物的化学是为Co3O4；根据原子守恒，另一种无毒的气体为CO2，则化学方程式为3CoC2O4＋2O2Co3O4＋6CO2。