Question

16．碳酸鋰廣泛應用于陶瓷和醫藥等領域．以β-鋰輝石（主要成分為Li₂O-Al₂O_3-4SiO₂）為原材料制備Li₂CO₃的工藝流程如下：
已知：Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺和Mg²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的PH分別為3.2、5.2、9.7和12.4；Li₂SO₄、LiOH和Li₂CO₃在303K下的溶解度分別為34.2g、12.7g和1.3g．
（1）步驟Ⅰ前，β-鋰輝石要粉碎成細顆粒的目的是加快反應速率．
（2）步驟Ⅰ中，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li⁺、SO₄^2-，另含有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等雜質，需在攪拌下加入石灰石（填“石灰石”、“氯化鈣”或“稀硫酸”）以調節溶液的PH到6.0-6.5，沉淀部分雜質離子如Al³⁺、Fe³⁺，然后分離得到浸出液．
（3）步驟Ⅱ中，將適量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，可除去的雜質金屬離子有Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺．
（4）步驟Ⅲ中，生成沉淀的離子方程式為2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓．
（5）母液中的主要溶質有Na₂SO₄、Na₂CO₃．

Answer 1

分析 已知β-鋰輝石（主要成分為Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂）為原材料制備Li₂CO₃的工藝流程：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂加硫酸，浸取，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li⁺、SO₄^2-，另含有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等雜質，在在攪拌下加入石灰石調節pH，使Al³⁺、Fe³⁺轉化為氫氧化物沉淀，過濾，再將適量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，然后轉化為氫氧化鐵沉淀，鎂離子轉化為氫氧化鎂沉淀，鈣離子轉化為碳酸鈣沉淀，過濾的硫酸鋰溶液，再加飽和碳酸鈉溶液得到碳酸鋰沉淀，過濾得到碳酸鋰；
（1）從反應速率的角度來分析；
（2）抓住題目中的“酸性溶液”，“調節溶液的pH到6.0～6.5”，從所給試劑中選擇符合條件的藥品；
（3）H₂O₂是強氧化劑，可把Fe²⁺氧化成Fe³⁺，石灰乳和碳酸鈉都是沉淀劑，使溶液中的Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺；
^_（4）分析Li₂SO₄、LiOH和Li₂CO₃在303K下的溶解度分別為34.2g、12.7g和1.3g可知，Li₂CO₃最易沉淀；
（5）由元素守恒可知，母液中存在較多的Na⁺、SO₄^2-．

解答 解：已知β-鋰輝石（主要成分為Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂）為原材料制備Li₂CO₃的工藝流程：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂加硫酸，浸取，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li⁺、SO₄^2-，另含有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等雜質，在在攪拌下加入石灰石調節pH，使Al³⁺、Fe³⁺轉化為氫氧化物沉淀，過濾，再將適量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，然后轉化為氫氧化鐵沉淀，鎂離子轉化為氫氧化鎂沉淀，鈣離子轉化為碳酸鈣沉淀，過濾的硫酸鋰溶液，再加飽和碳酸鈉溶液得到碳酸鋰沉淀，過濾得到碳酸鋰，
（1）固體顆粒越小，化學反應速率越快，同時可使鋰元素盡可能多地溶解到酸中，故答案為：加快反應速率；
（2）已知Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺和Mg²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的PH分別為3.2、4.7、9.0和11.1，在攪拌下加入石灰石以調節溶液的PH到6.0-6.5，則Fe³⁺、Al³⁺轉化為氫氧化物沉淀，所以除去的離子為Al³⁺、Fe³⁺，故答案為：石灰石；Al³⁺、Fe³⁺；
（3）步驟Ⅱ中加入H₂O₂溶液，可將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，然后加入石灰乳可除去其中的Fe³⁺和Mg²⁺，再加入適量Na₂CO₃溶液可除去Ca²⁺．此時溶液中的離子主要有Li⁺、Na⁺、SO₄^2-，故答案為：Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺；
（4）步驟Ⅲ加入飽和Na₂CO₃溶液后，主要使Li⁺轉化為Li₂CO₃沉淀，故答案為：2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓；
（5）反應后，溶液中的Na₂SO₄以及加入的過量Na₂CO₃便留在母液中，可回收的主要物質為Na₂SO₄，故答案為：Na₂SO₄、Na₂CO₃．

點評 本題考查了物質分離提純實驗操作，涉及離子共存、離子方程式、氧化還原反應、物質的鑒別與分離等，考查考生運用金屬元素的有關知識分析解決問題的能力，題目難度中等，以實驗探究的形式考查元素化合物的性質將成為以后高考命題的新亮點．