Question

【題目】鋰輝石(主要成分為LiAl(SiO3)2，還含有Fe2O3、MgO、Al2O3等雜質)是最重要的提鋰礦石原料，工業上以α-鋰輝石為原料制備碳酸鋰，其工藝流程如圖：

已知：①α-鋰輝石化學惰性大，除HF外，幾乎不與任何酸堿反應，α-鋰輝石在高溫下可轉化為β-鋰輝石，β-鋰輝石具有更高的化學活性。

②β-鋰輝石可與濃硫酸發生反應：2β-LiAl(SiO3)2＋H2SO4(濃) Li2SO4＋Al2O3·4SiO2·H2O。

③部分金屬氫氧化物開始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

氫氧化物	Fe(OH)3	Al(OH)3	Mg(OH)2
開始沉淀pH	2.7	3.7	9.6
完全沉淀pH	3.7	4.7	11

請回答下列問題：

(1)將LiAl(SiO3)2改寫成氧化物的形式為___，1000℃焙燒α-鋰輝石的目的為___。

(2)濾渣2的主要成分為___，調節pH值的范圍為___。

(3)“除大部分Mg”步驟的離子方程式為___。

(4)實驗室蒸發濃縮操作中所需的儀器為酒精燈、鐵架臺(帶鐵圈)、___。

(5)洗滌過程中檢驗沉淀是否洗滌干凈的操作為___。

(6)碳酸鋰是制備鋰離子電池的原料之一，某鋰離子電池以CoP3作為負極材料，以LiMn1.5Ni0.5O4作為正極材料，以可傳導放電Li＋的無機固體電解質c-LATP作為電解液，其工作時電池反應為Li1-xMn1.5N0.5O4＋Lix(CoP3)nLiMn1.5Ni0.5O4＋(CoP3)n，則該電池放電時負極的電極反應式為___，充電時陽極的電極反應式為___。

Answer 1

【答案】Li2OAl2O34SiO2 將不和濃硫酸反應的α-鋰輝石轉化為和濃硫酸反應的β-鋰輝石 Fe(OH)3、Al(OH)3和CaSO4 4.7≤pH＜9.6 Ca(OH)2(s)+Mg2+(aq)=Mg(OH)2(s)+Ca2+(aq) 蒸發皿、玻璃棒 取少量最后一次的洗滌濾液于試管中，向其中滴加鹽酸酸化的 BaCl2溶液，若無白色沉淀產生，則表明已洗滌干凈 Lix(CoP3)n-xe-=xLi++(CoP3)n LiMn1.5Ni0.5O4-xe-=Li1-xMn1.5Ni0.5O4+xLi+

【解析】

α-鋰輝石(主要成分為LiAl(SiO3)2，還含有Fe2O3、MgO、Al2O3等雜質)高溫焙燒轉化成β-鋰輝石，后加入98%濃硫酸低溫焙燒，水浸后得到的酸性溶液中含有Li+、SO42-，另含有Al3+、Fe3+、Mg2+等雜質，得到的濾渣1為SiO2；加入石灰石調節pH，使Al3+、Fe3+轉化為氫氧化物沉淀，同時生成微溶的硫酸鈣，過濾，濾液中加入石灰乳除去大部分鎂離子，生成濾渣3為氫氧化鎂，濾液再加入碳酸鈉調節pH至11-12，進一步除去鈣、鎂離子，濾渣4為碳酸鈣、氫氧化鎂等，濾液為硫酸鋰溶液，蒸發濃縮后再加碳酸鈉溶液得到碳酸鋰沉淀，過濾洗滌干燥得到碳酸鋰，以此解答該題。

(1)硅酸鹽改寫為氧化物的形式要注意活潑金屬氧化物在前，其次為不活潑金屬氧化物，再次為非金屬氧化物，最后為水，中間用小圓點隔開，各元素的比例不能改變，故將LiAl(SiO3)2改寫為氧化物的形式為Li2OAl2O34SiO2；根據題目信息可知α-鋰輝石化學惰性大，除HF外，幾乎不與任何酸堿反應， α-鋰輝石在高溫下可轉化為β-鋰輝石，β-鋰輝石具有更高的化學活性，可與濃硫酸反應，故1000℃焙燒α-鋰輝石的目的為將不和濃硫酸反應的α-鋰輝石轉化為和濃硫酸反應的β-鋰輝石；

(2)加入碳酸鈣調pH目的是將Fe3+和Al3+轉化為Fe(OH)3和Al(OH)3，碳酸鈣還可以和硫酸反應生成微溶的硫酸鈣，所以濾渣2的主要成分為Fe(OH)3、Al(OH)3和CaSO4；根據表格可知將Fe3+和Al3+沉淀，而不使Mg2+沉淀，調節pH的范圍為4.7≤pH＜9.6；

(3)向溶液中加入石灰乳可將微溶的Ca(OH)2轉化為難溶的Mg(OH)2，離子方程式為：Ca(OH)2(s)+Mg2+(aq)=Mg(OH)2(s)+Ca2+(aq)；

(4)實驗室蒸發操作除了使用酒精燈、鐵架臺(帶鐵圈)外，還需要蒸發皿和玻璃棒；

(5)沉淀的目的是洗去碳酸鋰上吸附的溶液中的離子，溶液中的離子有硫酸根離子，可用檢驗硫酸根離子的方法檢驗，檢驗是否洗滌干凈的方法是取少量最后一次的洗滌濾液于試管中，向其中滴加鹽酸，再加入 BaCl2溶液，若無白色沉淀產生，則表明已洗滌干凈；

(6)該電池放電時負極失電子發生氧化反應，電極反應式為Lix(CoP3 )n-xe-=xLi++(CoP3)n，充電時陽極失電子發生氧化反應，電極反應式為LiMn1.5Ni0.5O4-xe-=Li1-x Mn1.5Ni0.5O4+xLi+。