Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎頒給了為鋰電池發展作出突出貢獻的三位科學家。某廢舊鋰電池正極主要由LiFePO4、鋁箔、炭黑等組成，Fe、Li、P具有極高的回收價值，具體流程如下：

（1）過程ⅰ生成NaAlO2溶液的離子方程式是__。

（2）過程ⅱ中HCl/H2O2的作用是__。

（3）浸出液X的主要成分為 Li+、Fe3+、H2PO4-等。過程ⅲ控制碳酸鈉溶液濃度20%、溫度85 ℃、反應時間3 h條件下，探究pH對磷酸鐵沉淀的影響，如圖所示。

①綜合考慮鐵和磷沉淀率，最佳pH為__。

②結合平衡移動原理，解釋過程ⅲ中pH增大，鐵和磷沉淀率增大的原因__。

③當pH＞2.5后，隨pH增加，磷沉淀率出現了減小的趨勢，解釋其原因__。

（4）LiFePO4可以通過(NH4)2Fe(SO4)2、H3PO4與LiOH溶液發生共沉淀反應制取，共沉淀反應的化學方程式為__。

Answer 1

【答案】2Al＋2OH-＋2H2O=2AlO2-＋3H2↑ 溶解LiFePO4，將Fe2+氧化為Fe3+（2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O） 2.5 H2PO4-HPO42-+H+，HPO42-PO43-+H+，加入Na2CO3后，CO32-結合H+使c(H+)減小，促進上述電離平衡正向移動，c(PO43)增大，與Fe3+結合形成磷酸鐵沉淀（或者：H2PO4-HPO42-+H+，HPO42-PO43-+H+，溶液pH增大，c(H+)減小，促進上述電離平衡正向移動，c(PO43-)增大，與Fe3+結合形成磷酸鐵沉淀 pH＞2.5時，沉淀中的磷酸鐵會有部分開始轉變生成Fe(OH)3，使得部分PO43-釋放，導致磷沉淀率下降 (NH4)2Fe(SO4)2+H3PO4+LiOH=2NH4HSO4+LiFePO4↓+H2O或(NH4)2Fe(SO4)2+H3PO4+3LiOH=(NH4)2SO4+Li2SO4+LiFePO4↓+3H2O

【解析】

含LiFePO4、鋁箔、炭黑的廢舊鋰電池，用NaOH溶解后過濾，濾液為NaAlO2溶液，濾渣為LiFePO4和炭黑，再用鹽酸酸化的H2O2溶解濾渣并過濾，得到主要成分為 Li+、Fe3+、H2PO4-等的溶液X，向X中加入Na2CO3溶液，有FePO42H2O析出，過濾的濾液主要是LiCl，再加入飽和Na2CO3溶液，再過濾即可得到LiCO3粗產品，據此分析解題。

(1)過程ⅰAl溶于NaOH溶液生成NaAlO2和H2，發生反應的離子方程式是2Al＋2OH-＋2H2O=2AlO2-＋3H2↑；

(2)過程ⅱ是除鋁后料中加入鹽酸酸化的H2O2，過濾后得到主要成分為 Li+、Fe3+、H2PO4-等的溶液X，由知HCl/H2O2的作用是溶解LiFePO4，將Fe2+氧化為Fe3+；

(3)①分析圖中數據可知，當pH=2.5時磷的沉淀率最高，鐵的沉淀率較高，則過程ⅲ選擇的最佳pH為2.5；

②已知溶液X中存在H2PO4-的電離平衡，即H2PO4-HPO42-+H+，HPO42-PO43-+H+，過程ⅲ中當加入Na2CO3后，CO32-結合H+使c(H+)減小，促進上述電離平衡正向移動，c(PO43)增大，與Fe3+結合形成磷酸鐵沉淀，提高了鐵和磷沉淀率；

③已知FePO4(s)Fe3+(aq)+ PO43-(aq)，當pH＞2.5后，隨pH增加，溶液中c(OH-)增大，Fe3+開始轉變生成Fe(OH)3，促進解平衡正向移動，使得部分PO43-釋放，導致磷沉淀率下降；

(4)(NH4)2Fe(SO4)2、H3PO4與LiOH溶液混合生成LiFePO4，同時得到(NH4)2SO4和Li2SO4，結合原子守恒，發生反應的化學方程式為 (NH4)2Fe(SO4)2+H3PO4+LiOH=2NH4HSO4+LiFePO4↓+H2O。