Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎授予在開發鋰離子電池方面做出卓越貢獻的三位化學家。鋰被譽為“高能金屬”，是鋰電池的電極材料，工業上用β-鋰輝礦(主要成分為Li2O·Al2O3·4SiO2以及少量鈣、鎂雜質)和氟磷灰石(Ca5P3FO12)聯合制取鋰離子電池正極材料(LiFePO4)，其工業生產流程如圖：

已知：①Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34；

②LiFePO4難溶于水。

回答下列問題：

（1）氟磷灰石(Ca5P3FO12)中磷元素的化合價為___，沉淀X的主要成分是___(寫化學式)。

（2）操作3的名稱是___，操作1所需的玻璃儀器名稱為___。

（3）蒸發濃縮Li2SO4溶液的目的是___。

（4）寫出合成反應的離子方程式___。

（5）科學家設計一種鋰電池的反應原理為LiFePO4Li+FePO4，放電時正極反應式為___。

（6）工業上取300噸含氧化鋰5%的β-鋰輝礦石，經上述變化得到純凈的LiFePO4共110.6噸，則元素鋰的利用率為___。

Answer 1

【答案】+5 CaCO3、Mg(OH)2 分液 燒杯、漏斗、玻璃棒 增大溶液中鋰離子濃度，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀 H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+ FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4 70%

【解析】

β-鋰輝礦焙燒后，溶于硫酸生成硫酸鋰、硫酸鋁、硫酸鈣、硫酸鎂和二氧化硅沉淀，調節pH為6，鋁離子沉淀，濾液的硫酸鎂能與氫氧化鈣反應生成氫氧化鎂沉淀，氫氧化鈣能與碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀，得到濾液硫酸鋰蒸發濃縮后與磷酸二氫銨、硫酸亞鐵反應生成難溶的LiFePO4。

⑴氟磷灰石(Ca5P3FO12)中Ca為+2價，O為-2價，F為-1價，根據化合物價態代數和為0得到磷元素的化合價為+5，β-鋰輝礦焙燒后，溶于硫酸生成硫酸鋰、硫酸鋁、硫酸鈣、硫酸鎂和二氧化硅沉淀，調節pH為6，鋁離子沉淀，濾液的硫酸鎂能與氫氧化鈣反應生成氫氧化鎂沉淀，氫氧化鈣能與碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀，因此沉淀X的主要成份的化學式是CaCO3和Mg(OH)2；故答案為：+5；CaCO3、Mg(OH)2。

⑵觀察流程可知，操作1得到硫酸鈣，因此操作1為過濾，所需的玻璃儀器有燒杯、漏斗、玻璃棒，操作3得到有機相，因此操作3為分液；故答案為：分液；燒杯、漏斗、玻璃棒。

⑶蒸發濃縮Li2SO4溶液，可使溶液中鋰離子濃度增大，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀；故答案為：增大溶液中鋰離子濃度，便于生成磷酸亞鐵鋰沉淀。

⑷合成反應是磷酸二氫銨、磷酸亞鐵和硫酸鋰，產物為難溶的LiFePO4，其離子方程式H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+；故答案為：H2PO4－ + Li+ + Fe2+ = LiFePO4↓+ 2H+。

⑸科學家設計一種鋰電池的反應原理為LiFePO4Li+FePO4，則Li為負極，FePO4為正極，放電時正極反應式為FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4；故答案為：FePO4 + Li+ + e－ = LiFePO4。

⑹300噸含氧化鋰5%的β-鋰輝礦中Li2O的質量為300噸×5% = 15噸，根據關系式Li2O—2LiFePO4，理論上可生成磷酸亞鐵鋰為，則元素鋰的利用率為；故答案為70%。