Question

磷酸亞鐵鋰LiFePO₄是一種新型汽車鋰離子電池的電極材料。某化工廠以鐵紅、鋰輝石LiAl（SiO₃）₂（含少量Ca²⁺、Mg²⁺的鹽）、碳粉等原料來生產磷酸亞鐵鋰。其主要工藝流程如下：

已知：2LiAl（SiO₃）₂ + H₂SO₄(濃)  Li₂SO₄ + Al₂O₃·4SiO₂·H₂O↓

溫度/℃	20	40	60	80
溶解度(Li2CO3)/g	1.33	1.17	1.01	0.85
溶解度(Li2SO4)/g	34.2	32.8	31.9	30.7

 
（1）從濾渣Ⅰ中可分離出Al₂O₃，如下圖所示。請寫出生成沉淀的離子方程式         。

（2）濾渣Ⅱ的主要成分是：            （填化學式）。
（3）向濾液Ⅱ中加入飽和Na₂CO₃溶液，過濾后，用“熱水洗滌”的原因是             
                                                                 。
（4）寫出在高溫下生成磷酸亞鐵鋰的化學方程式                        。
（5）磷酸亞鐵鋰電池總反應為：FePO₄+LiLiFePO₄，電池中的固體電解質可傳導Li^＋。試寫出該電池放電時的正極反應：                            。若用該電池電解飽和食鹽水（電解池電極均為惰性電極），當電解池兩極共有4480mL氣體（標準狀況）產生時，該電池消耗鋰的質量為                 。

Answer 1

（1）Al³⁺+3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃↓+3NH₄⁺   （2分）
（2）Mg(OH)₂、CaCO₃（共4分，對一個得2分，答錯不得分，但不倒扣分）
（3）Li₂CO₃的溶解度隨溫度升高而減小，熱水洗滌可減少Li₂CO₃的損失（2分）
（4）2FePO₄+ Li₂CO₃+2C  2LiFePO₄+3CO↑（2分）
（5）FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄（2分）；1.4g（2分）

試題分析：（1）由已知化學方程式可知，濾渣Ⅰ的主要成分是Al₂O₃·4SiO₂·H₂O，要通過灼燒沉淀生成氧化鋁，故沉淀為氫氧化鋁，則必須加入過量的弱堿，如氨水；（2）鋰輝石LiAl（SiO₃）₂（含少量Ca²⁺、Mg²⁺的鹽），故用氫氧化鈉先中和過量的濃硫酸，再調高pH值，使鎂離子變成氫氧化鎂沉淀析出，鈣離子則通過加入碳酸鈉，生成碳酸鈣沉淀析出，故濾渣Ⅱ的主要成分是Mg(OH)₂、CaCO₃；（3）由表中數據可知，Li₂CO₃的溶解度隨溫度升高而減小，故通過熱水洗滌可減少碳酸鋰的損失；（4）因加入過量碳粉，故碳粉必定不能完全反應，因此生成一氧化碳，而非二氧化碳，根據得失電子守恒進行配平；（5）電池放電時，正極發生還原反應，電極反應式為FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；當電解飽和食鹽水時，陽極為氯離子在放電，產生氯氣，陰極為氫離子在放電，產生氫氣，當兩極共有4480mL氣體產生，即0.1mol氯氣和0.1mol氫氣，轉移0.2mol電子，相當于消耗0.2mol的鋰，質量為1.4g。
點評：化工生產跟人類的生活息息相關，它是化學在現實生活中的最有用的應用，近年來化工生產在高考中的分量逐漸增大，考生在備考過程中應注意聯系實際，學以致用。難度較大。