Question

3．新型电池在飞速发展的信息技术中发挥着越来越重要的作用．Li₂MSiO₄（M=Mn、Fe、Co等）是极具发展潜力的新型锂离子电池电极材料，在苹果的几款最新型的产品中已经有了一定程度的应用．下面列出了两种制备Li₂FeSiO₄的方法：
固相法：2Li₂SiO₃+FeSO₄$\frac{\underline{\;惰性气体\;}}{高温}$Li₂FeSiO₄+Li₂SO₄+SiO₂
溶胶-凝胶法：如图1

（1）固相法中制备Li₂FeSiO₄的过程必须在惰性气体氛围中进行，其原因是防止二价铁被氧化；根据已有信息，以下判断正确的是③．
①该反应是氧化还原反应                 ②该反应一定是吸热反应
③Li₂SiO₃ 和Li₂FeSiO₄属于硅酸盐
（2）溶胶-凝胶法中，检验溶液中有胶体产生的方法是取少量液体，用一束强光光线照射，有丁达尔现象；实验中若制得1mol Li₂FeSiO₄，整个反应过程中转移电子的物质的量为1mol．
（3）以Li₂FeSiO₄、嵌有Li的石墨为电极，含Li⁺的导电固体为电解质的锂离子电池，充、放电的总反应式可表示为Li₂FeSiO₄$?_{放电}^{充电}$Li+LiFeSiO₄，该电池放电时，负极是Li，正极反应为LiFeSiO₄+Li⁺+e^-=Li₂FeSiO₄ ．
（4）三种Li₂MSiO₄的性能对比如图2所示．实际应用时，常用来源丰富的铁元素生产的Li₂FeSiO₄作电极材料，使用该电极材料的另一个优点是Li₂FeSiO₄ 充电时脱去Li⁺所需电压低．

Answer 1

分析 （1）依据亚铁离子具有还原性分析；根据反应2Li₂SiO₃+FeSO₄$\frac{\underline{\;惰性气体\;}}{高温}$Li₂FeSiO₄+Li₂SO₄+SiO₂可知，反应中各元素化合价没有变化，也无法判断反应的执效应，但Li₂SiO₃ 和Li₂FeSiO₄都属于硅酸盐，据此答题；
（2）依据胶体的特征性质分析设计实验验证，依据溶胶-凝胶法中铁元素守恒，铁元素化合价从+3价变化为+2价，根据化合价的变化分析；
（3）放电时原电池反应，正极上是得到电子发生还原反应，电池反应中元素化合价降低得到电子，依据总反应式分析判断；
（4）依据图象变化意义分析；

解答 解：（1）固相法中制备Li₂FeSiO₄的过程必须在惰性气体氛围中进行，因为亚铁离子具有还原性，易被氧化，所以惰性气体氛围中是为了防止亚铁离子被氧化，根据反应2Li₂SiO₃+FeSO₄$\frac{\underline{\;惰性气体\;}}{高温}$Li₂FeSiO₄+Li₂SO₄+SiO₂可知，反应中各元素化合价没有变化，也无法判断反应的执效应，但Li₂SiO₃ 和Li₂FeSiO₄都属于硅酸盐，故③正确，
故答案为：防止二价铁被氧化；③；
（2）胶体具有丁达尔现象，取少量液体，用一束强光光线照射，有丁达尔现象证明是胶体；胶-凝胶法中铁元素守恒，铁元素化合价从+3价变化为+2价，若制得1mol Li₂FeSiO₄，电子转移1mol，
故答案为：取少量液体，用一束强光光线照射，有丁达尔现象；1mol；
（3）总反应式可表示为Li₂FeSiO₄$?_{放电}^{充电}$Li+LiFeSiO₄，放电过程中是原电池反应，Li做负极失电子发生氧化反应，LiFeSiO₄在正极上得到电子发生还原反应，电极反应为LiFeSiO₄+Li⁺+e^-=Li₂FeSiO₄，
故答案为：Li；LiFeSiO₄+Li⁺+e^-=Li₂FeSiO₄ ；
（4）实际应用时，常用铁元素来源丰富的Li₂FeSiO₄作电极材料，分析图象变化可知，使用该电极材料的另一个优点是Li₂FeSiO₄ 充电时脱去Li⁺所需电压低，
故答案为：Li₂FeSiO₄ 充电时脱去Li⁺所需电压低．

点评 本题考查了物质制备实验分析判断、氧化还原反应、原电池原理的应用等，注意氧化还原反应分析和电子转移计算应用，原电池反应和电极反应书写，图象分析判断是关键，题目难度中等．