Question

2．锂被誉为“金属味精”，以LiCoO₂为正极材料的锂离子电池已被广泛用作便携式电源．工业上常以β锂辉矿（主要成分为LiAlSi₂O₆，还含有FeO、MgO、CaO等杂质）为原料来制取金属锂．其中一种工艺流程如下：

已知：①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的pH：

氢氧化物	Fe（OH）3	Al（OH）3	Mg（OH）2
开始沉淀pH	2.7	3.7	9.6
完全沉淀pH	3.7	4.7	11

②Li₂CO₃在不同温度下的溶解度如下表：

温度/℃	0	10	20	50	75	100
Li2CO3的溶解度/g	1.539	1.406	1.329	1.181	0.866	0.728

请回答下列问题：
（1）用氧化物形式表示LiAlSi₂O₆的组成：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂．
（2）反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是除去反应Ⅰ中过量的H₂SO₄；控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀．
（3）写出反应Ⅲ中生成沉淀A的离子方程式：Mg²⁺+2OH^-═Mg（OH）₂↓、Ca²⁺+CO₃^2-═CaCO₃↓．
（4）洗涤所得Li₂CO₃沉淀要使用热水（选填“热水”或“冷水”），你选择的理由是Li₂CO₃在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li₂CO₃的损耗．
（5）将氯化锂溶液蒸干的过程中还需不断通入HCl气体，其作用是抑制LiCl的水解，防止生成LiOH，同时HCl可带走水蒸气
（6）本实验在电解熔融氯化锂生产锂时，阳极产生的氯气中会混有少量氧气，原因是加热蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量水解生成LiOH，受热分解生成Li₂O，电解时产生O₂．

Answer 1

分析 β-锂辉矿（主要成分为LiAlSi₂O₆，还含有FeO、MgO、CaO等杂质）为原料来制取金属锂，加入过量浓硫酸溶解β-锂辉矿，加入碳酸钙除去过量的硫酸调节溶液PH=5，使铁离子和铝离子沉淀完全，加入水洗过滤洗去矿泥，然后加入氢氧化钙和碳酸钠沉淀镁离子和钙离子，过滤得到溶液中主要是锂离子的溶液，蒸发浓缩，加入碳酸钠沉淀锂离子生成碳酸锂，洗涤后加入盐酸溶解得到纯净的氯化锂溶液，加热蒸干得到氯化锂，电解熔融氯化锂得到金属锂．
（1）根据元素的化合价将Li、Al、Si写成氧化物形式，中间用•连接即可；
（2）根据工艺流程可知，加入碳酸钙目的是除去硫酸，调节溶液pH，除去铁离子、铝离子；
（3）反应Ⅲ要除去镁离子，加入过量氢氧化钙后生成氢氧化镁沉淀，然后用碳酸钠除去过量的钙离子杂质，所以沉淀为氢氧化镁、碳酸钙，据此写出反应的离子方程式；
（4）分离出不溶物方法为过滤；根据表中数据可知，Li₂CO₃在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li₂CO₃的损耗；
（5）将氯化锂溶液蒸干的过程中还需不断通入HCl气体是抑制LiCl的水解，防止生成LiOH；
（6）根据蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量水解生成LiOH，氢氧化锂部分分解生成氧化锂，电解时会生成氢气．

解答 解：（1）将硅酸盐改为氧化物形式的方法为：依次将各元素写成氧化物形式，中间用“•”连接，同时要注意氧化物先后顺序，为Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂，
故答案为：Li₂O•Al₂O₃•4SiO₂；
（2）由（1）改写可知，β-锂辉矿在加入过量浓硫酸后，只有SiO₂不溶，同时Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，并生成CaSO₄沉淀，所以溶液中含有Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Li⁺等离子，依据实验目的可知必须除去杂质离子，故在反应Ⅱ中加入碳酸钙的作用为：除去反应Ⅰ中过量的H₂SO₄；控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，
故答案为：除去反应Ⅰ中过量的H₂SO₄；控制pH，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀；
（3）利用题干信息知反应Ⅲ要除去Mg²⁺，但在加入沉淀剂Ca（OH）₂时会引入大量Ca²⁺，故还需加入Na₂CO₃除去Ca²⁺，即沉淀A为Mg（OH）₂沉淀与CaCO₃沉淀的混合物，反应的离子方程式为：Mg²⁺+2OH^-═Mg（OH）₂↓、Ca²⁺+CO₃^2-═CaCO₃↓，
故答案为：Mg²⁺+2OH^-═Mg（OH）₂↓、Ca²⁺+CO₃^2-═CaCO₃↓；
（4）实验室里分离固液混合物的操作是过滤，由题中给出Li₂CO₃的溶解度与温度的关系，可知洗涤Li₂CO₃沉淀要使用热水，Li₂CO₃在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li₂CO₃的损耗，
故答案为：热水；Li₂CO₃在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li₂CO₃的损耗；
（5）将氯化锂溶液蒸干的过程中还需不断通入HCl气体，其作用是：抑制LiCl的水解，防止生成LiOH，同时HCl可带走水蒸气，
故答案为：抑制LiCl的水解，防止生成LiOH，同时HCl可带走水蒸气；
（6）由有氧气产生可逆推知可能的原因：加热蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量水解生成LiOH，受热分解生成Li₂O，电解时产生O₂，
故答案为：加热蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量水解生成LiOH，受热分解生成Li₂O，电解时产生O₂ ；

点评 本题考查了工业上以β-锂辉矿制取金属锂的方法，题目难度中等，试题涉及了化学式的书写、物质的分离与提纯、离子方程式的书写等知识，合理分析题中工艺流程是解题关键．