Question

2．新型锂离子电池在新能源的开发中占有重要地位，可用作节能环保电动汽车的动力电池．磷酸亚铁锂（LiFePO₄）是新型锂离子电池的首选电极材料，它的制备方法如下：
方法一：将碳酸锂、乙酸亚铁[（CH₃COO）₂Fe]、磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研磨后，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂，同时生成的乙酸及其它产物均以气体逸出．
方法二：将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为阴极，电解析出磷酸亚铁锂沉淀．沉淀经过滤、洗涤、干燥，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂．
方法三：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．其主要工艺流程如图：

已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$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

请回答下列问题：
（1）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，还有H₂OCO₂、NH₃（填化学式）等气体生成．
（2）在方法二中，阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺
（3）在方法三中，从滤渣Ⅰ中可分离出Al₂O₃，如图所示．

①请写出生成沉淀的离子方程式Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺
②滤渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃（填化学式）．
③写出在高温下生成磷酸亚铁锂的化学方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（4）在锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一的结构简式如下：，写出该单体与足量氢氧化钠溶液反应的化学方程式：．
（5）磷酸铁锂动力电池（简称LFP）是一种高效、长寿命的二次电池，其工作原理为：C₆Li+FePO₄$?_{充电}^{放电}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，电池充电时，阳极中的Li⁺通过聚合物隔膜向阴极迁移；在放电时，负极中Li⁺的通过隔膜向正极迁移．充电时的阴极反应式C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li，若用该电池电解精炼铜，阴极质量增重12.8g，则电池中经过聚合物隔膜的Li⁺数目为0.4N_A．

Answer 1

分析 方法三：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，冷却加水过滤得到滤液I和滤渣I，滤渣中含有Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，滤液中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向滤液中加入NaOH、Na₂CO₃，镁离子和NaOH反应生成氢氧化镁沉淀，钙离子和碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，所以滤渣II为Mg（OH）₂、CaCO₃，滤液中含有硫酸锂，向滤液中加入饱和碳酸钠得到碳酸锂沉淀，铁和磷酸反应生成磷酸铁，C、磷酸铁和碳酸锂在高温下反应生成LiFePO₄；
（1）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，还有H₂O，该反应中铵根离子生成氨气、碳酸根离子生成二氧化碳；
（2）在方法二中，阳极上Fe失电子和磷酸二氢根离子、锂离子反应生成磷酸亚铁锂；
（3）在方法三中，从滤渣Ⅰ溶于酸得到铝离子，氢氧化铝不溶于弱碱但能溶于强碱，所以a为氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼烧Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃；
①铝离子和一水合氨反应生成Al（OH）₃沉淀；
②滤渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃；
③在高温下生成磷酸亚铁锂，根据反应物、生成物和反应条件书写方程式；
（4）中含有酯基，能和NaOH反应生成酸式盐和醇；
（5）磷酸铁锂动力电池（简称LFP）工作原理为：C₆Li+FePO₄$?_{充电}^{放电}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，充电时的阴极上C₆Li_（1-x）得电子发生还原反应，若用该电池电解精炼铜，阴极质量增重12.8g，则阴极析出n（Cu）=$\frac{12.8g}{64g/mol}$=0.2mol，铜离子得到的电子为0.4mol，则电池中通过聚合物隔膜的Li⁺数目为0.4N_A．

解答 解：方法三：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，冷却加水过滤得到滤液I和滤渣I，滤渣中含有Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，滤液中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向滤液中加入NaOH、Na₂CO₃，镁离子和NaOH反应生成氢氧化镁沉淀，钙离子和碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，所以滤渣II为Mg（OH）₂、CaCO₃，滤液中含有硫酸锂，向滤液中加入饱和碳酸钠得到碳酸锂沉淀，铁和磷酸反应生成磷酸铁，C、磷酸铁和碳酸锂在高温下反应生成LiFePO₄；
（1）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，还有H₂O，该反应中铵根离子生成氨气、碳酸根离子生成二氧化碳，所以生成的物质中还含有的气体是CO₂、NH₃，故答案为：CO₂、NH₃；
（2）在方法二中，阳极上Fe失电子和磷酸二氢根离子、锂离子反应生成磷酸亚铁锂，电极反应式为Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺，
故答案为：Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺；
（3）在方法三中，从滤渣Ⅰ溶于酸得到铝离子，氢氧化铝不溶于弱碱但能溶于强碱，所以a为氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼烧Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃；
①铝离子和一水合氨反应生成Al（OH）₃沉淀，离子方程式为Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺，故答案为：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺；
②滤渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃，故答案为：Mg（OH）₂、CaCO₃；
③在高温下生成磷酸亚铁锂，根据反应物、生成物和反应条件书写方程式为2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，
故答案为：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（4）中含有酯基，能和NaOH反应生成酸式盐和醇，反应方程式为，故答案为：；
（5）磷酸铁锂动力电池（简称LFP）工作原理为：C₆Li+FePO₄$?_{充电}^{放电}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，充电时的阴极上C₆Li_（1-x）得电子发生还原反应，阴极反应式为C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li，若用该电池电解精炼铜，阴极质量增重12.8g，则阴极析出n（Cu）=$\frac{12.8g}{64g/mol}$=0.2mol，铜离子得到的电子物质的量=0.2mol×2=0.4mol，根据电荷守恒则电池中通过聚合物隔膜的Li⁺数目为0.4N_A，
故答案为：C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li； 0.4N_A．

点评 本题考查物质的分离和提纯，综合性较强，涉及原电池原理、有机物性质、物质分离和提纯试剂的选取等知识点，明确化学反应原理、物质性质及性质差异性是解本题关键，侧重考查学生分析计算及综合知识运用能力，难点是电极反应式的书写．