Question

磷酸亚铁锂LiFePO₄是一种新型汽车锂离子电池的电极材料。某化工厂以铁红、锂辉石LiAl（SiO₃）₂（含少量Ca²⁺、Mg²⁺的盐）、碳粉等原料来生产磷酸亚铁锂。其主要工艺流程如下：

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

温度/℃	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）从滤渣Ⅰ中可分离出Al₂O₃，如下图所示。请写出生成沉淀的离子方程式         。

（2）滤渣Ⅱ的主要成分是：            （填化学式）。
（3）向滤液Ⅱ中加入饱和Na₂CO₃溶液，过滤后，用“热水洗涤”的原因是             
                                                                 。
（4）写出在高温下生成磷酸亚铁锂的化学方程式                        。
（5）磷酸亚铁锂电池总反应为：FePO₄+LiLiFePO₄，电池中的固体电解质可传导Li^＋。试写出该电池放电时的正极反应：                            。若用该电池电解饱和食盐水（电解池电极均为惰性电极），当电解池两极共有4480mL气体（标准状况）产生时，该电池消耗锂的质量为                 。

Answer 1

（1）Al³⁺+3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃↓+3NH₄⁺   （2分）
（2）Mg(OH)₂、CaCO₃（共4分，对一个得2分，答错不得分，但不倒扣分）
（3）Li₂CO₃的溶解度随温度升高而减小，热水洗涤可减少Li₂CO₃的损失（2分）
（4）2FePO₄+ Li₂CO₃+2C  2LiFePO₄+3CO↑（2分）
（5）FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄（2分）；1.4g（2分）

试题分析：（1）由已知化学方程式可知，滤渣Ⅰ的主要成分是Al₂O₃·4SiO₂·H₂O，要通过灼烧沉淀生成氧化铝，故沉淀为氢氧化铝，则必须加入过量的弱碱，如氨水；（2）锂辉石LiAl（SiO₃）₂（含少量Ca²⁺、Mg²⁺的盐），故用氢氧化钠先中和过量的浓硫酸，再调高pH值，使镁离子变成氢氧化镁沉淀析出，钙离子则通过加入碳酸钠，生成碳酸钙沉淀析出，故滤渣Ⅱ的主要成分是Mg(OH)₂、CaCO₃；（3）由表中数据可知，Li₂CO₃的溶解度随温度升高而减小，故通过热水洗涤可减少碳酸锂的损失；（4）因加入过量碳粉，故碳粉必定不能完全反应，因此生成一氧化碳，而非二氧化碳，根据得失电子守恒进行配平；（5）电池放电时，正极发生还原反应，电极反应式为FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；当电解饱和食盐水时，阳极为氯离子在放电，产生氯气，阴极为氢离子在放电，产生氢气，当两极共有4480mL气体产生，即0.1mol氯气和0.1mol氢气，转移0.2mol电子，相当于消耗0.2mol的锂，质量为1.4g。
点评：化工生产跟人类的生活息息相关，它是化学在现实生活中的最有用的应用，近年来化工生产在高考中的分量逐渐增大，考生在备考过程中应注意联系实际，学以致用。难度较大。