Question

5．某种锂离子电池的正极材料是将含有钴酸锂（LiCoO₂）的正极粉均匀涂覆在铝箔上制成的，可以再生利用．某校研究小组尝试回收废旧正极材料中的钴．
（1）25℃时，用图1所示装置进行电解，有一定量的钴以Co²⁺的形式从正极粉中浸出，且两极均有气泡产生，一段时间后正极粉与铝箔剥离．

①阴极的电极反应式为：LiCoO₂+4H⁺+e^-═Li⁺+Co²⁺+2H₂O、2H⁺+2e^-═H₂↑．阳极的电极反应式为4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O．
②该研究小组发现硫酸浓度对钴的浸出率有较大影响，一定条件下，测得其变化曲线如图2所示．当c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1时，钴的浸出率下降，其原因可能为H⁺与LiCoO₂在阴极的还原反应相互竞争，当c（H⁺）增大时，参与放电的H⁺增多（或有利于H⁺放电），所以钴的浸出率下降．
（2）电解完成后得到含Co²⁺的浸出液，且有少量正极粉沉积在电解槽底部．用以下步骤继续回收钴．

①写出“酸浸”过程中正极粉发生反应的化学方程式：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O．该步骤一般在80℃以下进行，温度不能太高的原因是防止H₂O₂剧烈分解．
②已知（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，下列关系中正确的是ac（填字母序号）．
a．c （NH₄⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c （H⁺）＞c （OH^-）
b．c （H⁺）+c （NH₄⁺）=c （OH^-）+c（HC₂O₄^-）+c（C₂O₄^2-）
c．c （NH₄⁺）+c （NH₃•H₂O）=2[c（C₂O₄^2-）+c（HC₂O₄^-）+c（H₂C₂O₄）]
（3）已知所用锂离子电池的正极材料为x g，其中LiCoO₂（M=98g•mol^-1）的质量分数为a%，则回收后得到CoC₂O₄•2H₂O （M=183g•mol^-1）的质量不高于$\frac{1.83ax}{98}$g．

Answer 1

分析 （1）①H⁺也会在阴极放电；阴离子在阳极放电；
②如图2所示．当c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1时，参与放电的H⁺增多（或有利于H⁺放电），所以钴的浸出率下降；
（2）①“酸浸”过程中正极粉发生氧化还原反应，LiCoO₂氧化生成Co²⁺和O₂，方程式为2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；该步骤一般在80℃以下进行，温度太高，双氧水会受热分解；
②（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，故
a．根据离子浓度大小分析；
b．由电荷守恒分析；
c．由物料守恒分析；
（3）根据关系式：LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O，列式计算即可．

解答 解：（1）①H⁺也会在阴极放电，2H⁺+2e^-═H₂↑；阴离子在阳极放电，4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，故答案为：2H⁺+2e^-═H₂↑；4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；
②如图2所示．当c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1时，参与放电的H⁺增多（或有利于H⁺放电），所以钴的浸出率下降，
故答案为：H⁺与LiCoO₂在阴极的还原反应相互竞争，当c（H⁺）增大时，参与放电的H⁺增多（或有利于H⁺放电），所以钴的浸出率下降；
（2）①“酸浸”过程中正极粉发生氧化还原反应，LiCoO₂氧化生成Co²⁺和O₂，方程式为2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；该步骤一般在80℃以下进行，温度太高，双氧水会受热分解；
故答案为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；防止H₂O₂剧烈分解；
②（NH₄）₂C₂O₄溶液呈弱酸性，故
a．由离子浓度大小关系，知c （NH₄⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c （H⁺）＞c （OH^-），故a正确；
b．由电荷守恒，可知c （H⁺）+c （NH₄⁺）=c （OH^-）+c（HC₂O₄^-）+2c（C₂O₄^2-），故b错误；
c．由物料守恒，可知c （NH₄⁺）+c （NH₃•H₂O）=2[c（C₂O₄^2-）+c（HC₂O₄^-）+c（H₂C₂O₄）]，故c正确；
故答案为：ac；
（3）根据关系式：LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O
                 98        183
                 xa%g        m
解之得m=$\frac{1.83ax}{98}$g，
故答案为：$\frac{1.83ax}{98}$．

点评 本题为生产流程题，涉及金属的回收、环境保护、氧化还原反应、物质的分离提纯和除杂等问题，题目较为综合，做题时注意仔细审题，从题目中获取关键信息，难度中等，难点是电极反应式的书写．