Question

9．鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰（LiCoO₂）、鋁箔和有機物導電劑等，現利用如圖1流程回收正極材料中的某些資源．

請回答下列問題：
（1）用硫酸和過氧化氫酸浸時，一般在90℃下進行，寫出該步驟中發生的主要氧化還原反應的化學反應方程式2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、
2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O．當有1mol LiCoO₂參加反應時，得到氧化產物的質量為16g．
（2）常溫條件下調pH時，若使Al³⁺完全沉淀所需最小的pH為5（保留整數）．（已知：離子濃度等于或小于1．×10^-6時，認為其完全沉淀；Al（OH）₃的Ksp=1.13×10^-33）
（3）操作1的名稱是萃取、分液．
（4）從平衡角度進行解釋生成CoCO₃固體的原因HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- 溶液中Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動．
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質，Co（OH）₂在空氣中加熱時，鈷元素在固體殘留物中的百分含量有如圖2所示的變化．已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時已完全脫水，則A點時，剩余固體的成分為Co₂O₃（填化學式）；在550-600℃范圍內，剩余固體的成分為CoO、Co₃O₄（填化學式）．

Answer 1

分析 正極材料酸浸，并且加入稀硫酸、雙氧水，涉及的氧化還原反應有2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；調節溶液的pH得到Al（OH）₃沉淀，過濾得到濾液和Al（OH）₃，通過操作1得到Li₂SO₄和有機相，操作1為萃取分液，然后反萃取得到有機相和CoSO₄，向溶液中加入碳酸氫銨溶液，發生反應為CO₃^2-+Co²⁺=CoCO₃↓，
（1）在酸性條件下，LiCoO₂和雙氧水發生氧化還原反應，鋁和硫酸發生氧化還原反應；2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化產物是氧氣，根據LiCoO₂和氧氣之間的關系式計算；
（2）根據溶度積常數計算溶液pH；
（3）該操作是萃取、分液；
（4）濃度積大于溶度積時產生沉淀；
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質，Co（OH）₂在空氣中加熱時，根據FeFe的氧化物，則Co的氧化物可能為Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
根據Co元素含量確定固體成分．

解答 解：（1）根據工藝流程中酸浸的過程中發生氧化還原反應有2LiCoO₂+3 H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2 CoSO₄+O₂↑+4H₂O；有Al（OH）₃固體和題干中的鋁箔，易推知有鋁與H₂SO₄溶液反應，所以離子方程式為：2Al+6H+=2Al³⁺+3H₂↑；因為反應是溫度80℃，還會發生雙氧水制氧氣的反應：2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O，
2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O中氧化產物是氧氣，1molLiCoO₂完全反應生成氧氣0.5mol，其質量為16g，
故答案為：2LiCoO₂+3H₂SO₄+H₂O₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑、2H₂O$\frac{\underline{\;80℃\;}}{\;}$O₂↑+2H₂O；16g；
（2）離子濃度等于或小于1.0×10^-6時，認為其完全沉淀；c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{1.13×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}$，c（OH^-）=10^-9 mol•L^-1，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-9}}$mol/L=10^-5 mol•L^-1，pH=5，
故答案為：5；
（3）該操作是萃取、分液，故答案為：萃取、分液；
（4）平衡移動原理，溶液中HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動，
故答案為：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，溶液中Co²⁺濃度與CO₃^2- 濃度積即為濃度積大于CoCO₃的Ksp 向生成沉淀的方向移動；
（5）鈷元素與鐵元素都屬于第 VIII族，它們的化合物有相似的性質，Co（OH）₂在空氣中加熱時，根據FeFe的氧化物，則Co的氧化物可能為Co₂O₃、CoO、Co₃O₄，Co₂O₃中Co的含量=$\frac{59×2}{59×2+16×3}$×100%=71.1%、CoO中Co的含量=$\frac{59}{75}×100%$=78.7%、Co₃O₄中Co的含量=$\frac{59×3}{59×3+16×4}$×100%=73.4%，
所以A點成分為Co₂O₃，在550-600℃范圍內，剩余固體的成分為Co₃O₄和CoO，
故答案為：Co₂O₃；CoO、Co₃O₄．

點評 本題考查物質分離和提純，涉及工業流程、氧化還原反應、信息型方程式書寫、Ksp計算、物質分離和提純、化學平衡移動原理，綜合性較強，把握基本反應原理及物質性質是解本題關鍵，側重考查學生分析計算能力，難點是（5）題固體成分判斷，題目難度中等．