Question

9．碳酸锂广泛应用于陶瓷和医药等领域．以β锂辉石（主要成分为Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂，含有少量能溶于酸的铁的化合物和镁的化合物）为原料制备Li₂CO₃的工艺流程如下：
提示信息：
①下列四种离子完全沉淀时溶液pH值如下表：

金属离子	完全沉淀pH
Fe2+	9.7
Mg2+	12.4
Fe3+	3.2
Al3+	5.2

②Li₂SO₄、LiOH常温下易溶于水，Li₂CO₃微溶于水．
回答下列问题：
（1）步骤Ⅰ前，β锂辉石要粉碎成细颗粒的目的是增加样品与H₂SO₄的接触面积，加快化学反应速率．
（2）步骤Ⅰ中，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li⁺、SO${\;}_{4}^{2-}$，另含有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等杂质，需在搅拌下加入石灰石（填“石灰石”“氯化钙”或“稀硫酸”）以调节溶液的pH到6.0～6.5，可以除去的离子有Al³⁺、Fe³⁺，然后分离得到浸出液．
（3）步骤Ⅱ中，将适量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，可除去的杂质金属离子有Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺．
（4）步骤Ⅲ中，生成沉淀的离子方程式为2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓．

Answer 1

分析 已知β-锂辉石（主要成分为Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂）为原材料制备Li₂CO₃的工艺流程：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⁺等杂质，在在搅拌下加入石灰石调节pH，使Al³⁺、Fe³⁺转化为氢氧化物沉淀，过滤，再将适量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，然后转化为氢氧化铁沉淀，镁离子转化为氢氧化镁沉淀，钙离子转化为碳酸钙沉淀，过滤的硫酸锂溶液，再加饱和碳酸钠溶液得到碳酸锂沉淀，过滤得到碳酸锂；
（1）从反应速率的角度来分析；
（2）抓住题目中的“酸性溶液”，“调节溶液的pH到6.0～6.5”，从所给试剂中选择符合条件的药品；
（3）H₂O₂是强氧化剂，可把Fe²⁺氧化成Fe³⁺，石灰乳和碳酸钠都是沉淀剂，使溶液中的Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺；
^_（4）分析Li₂SO₄、LiOH和Li₂CO₃在303K下的溶解度分别为34.2g、12.7g和1.3g可知，Li₂CO₃最易沉淀．

解答 解：已知β-锂辉石（主要成分为Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂）为原材料制备Li₂CO₃的工艺流程：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⁺等杂质，在在搅拌下加入石灰石调节pH，使Al³⁺、Fe³⁺转化为氢氧化物沉淀，过滤，再将适量的H₂O₂溶液、石灰乳和Na₂CO₃溶液依次加入浸出液中，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，然后转化为氢氧化铁沉淀，镁离子转化为氢氧化镁沉淀，钙离子转化为碳酸钙沉淀，过滤的硫酸锂溶液，再加饱和碳酸钠溶液得到碳酸锂沉淀，过滤得到碳酸锂，
（1）固体颗粒越小，化学反应速率越快，同时可使锂元素尽可能多地溶解到酸中，故答案为：增加样品与H₂SO₄的接触面积，加快化学反应速率；
（2）已知Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺和Mg²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的PH分别为3.2、4.7、9.0和11.1，在搅拌下加入石灰石以调节溶液的PH到6.0-6.5，则Fe³⁺、Al³⁺转化为氢氧化物沉淀，所以除去的离子为Al³⁺、Fe³⁺，故答案为：石灰石；Al³⁺；Fe³⁺；
（3）步骤Ⅱ中加入H₂O₂溶液，可将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，然后加入石灰乳可除去其中的Fe³⁺和Mg²⁺，再加入适量Na₂CO₃溶液可除去Ca²⁺．此时溶液中的离子主要有Li⁺、Na⁺、SO₄^2-，故答案为：Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺；
（4）步骤Ⅲ加入饱和Na₂CO₃溶液后，主要使Li⁺转化为Li₂CO₃沉淀，故答案为：2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓．

点评 本题考查了物质分离提纯实验操作，涉及离子共存、离子方程式、氧化还原反应、物质的鉴别与分离等，考查考生运用金属元素的有关知识分析解决问题的能力，题目难度中等，以实验探究的形式考查元素化合物的性质将成为以后高考命题的新亮点．