Question

2．新型鋰離子電池在新能源的開發(fā)中占有重要地位，可用作節(jié)能環(huán)保電動汽車的動力電池．磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）是新型鋰離子電池的首選電極材料，它的制備方法如下：
方法一：將碳酸鋰、乙酸亞鐵[（CH₃COO）₂Fe]、磷酸二氫銨按一定比例混合、充分研磨后，在800℃左右、惰性氣體氛圍中煅燒制得晶態(tài)磷酸亞鐵鋰，同時生成的乙酸及其它產(chǎn)物均以氣體逸出．
方法二：將一定濃度的磷酸二氫銨、氯化鋰混合溶液作為電解液，以鐵棒為陽極，石墨為陰極，電解析出磷酸亞鐵鋰沉淀．沉淀經(jīng)過濾、洗滌、干燥，在800℃左右、惰性氣體氛圍中煅燒制得晶態(tài)磷酸亞鐵鋰．
方法三：某化工廠以鐵紅、鋰輝石LiAl（SiO₃）₂（含少量Ca²⁺、Mg²⁺的鹽）、碳粉等原料來生產(chǎn)磷酸亞鐵鋰．其主要工藝流程如圖：

已知：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓

溫度/℃	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

請回答下列問題：
（1）在方法一所發(fā)生的反應中，除生成磷酸亞鐵鋰、乙酸外，還有H₂OCO₂、NH₃（填化學式）等氣體生成．
（2）在方法二中，陽極生成磷酸亞鐵鋰的電極反應式為Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺
（3）在方法三中，從濾渣Ⅰ中可分離出Al₂O₃，如圖所示．

①請寫出生成沉淀的離子方程式Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺
②濾渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃（填化學式）．
③寫出在高溫下生成磷酸亞鐵鋰的化學方程式2FePO₄+Li₂CO₃+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑．
（4）在鋰離子電池中，需要一種有機聚合物作為正負極之間鋰離子遷移的介質(zhì)，該有機聚合物的單體之一的結(jié)構(gòu)簡式如下：，寫出該單體與足量氫氧化鈉溶液反應的化學方程式：．
（5）磷酸鐵鋰動力電池（簡稱LFP）是一種高效、長壽命的二次電池，其工作原理為：C₆Li+FePO₄$?_{充電}^{放電}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，電池充電時，陽極中的Li⁺通過聚合物隔膜向陰極遷移；在放電時，負極中Li⁺的通過隔膜向正極遷移．充電時的陰極反應式C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li，若用該電池電解精煉銅，陰極質(zhì)量增重12.8g，則電池中經(jīng)過聚合物隔膜的Li⁺數(shù)目為0.4N_A．

Answer 1

分析 方法三：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，冷卻加水過濾得到濾液I和濾渣I，濾渣中含有Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，濾液中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向濾液中加入NaOH、Na₂CO₃，鎂離子和NaOH反應生成氫氧化鎂沉淀，鈣離子和碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀，所以濾渣II為Mg（OH）₂、CaCO₃，濾液中含有硫酸鋰，向濾液中加入飽和碳酸鈉得到碳酸鋰沉淀，鐵和磷酸反應生成磷酸鐵，C、磷酸鐵和碳酸鋰在高溫下反應生成LiFePO₄；
（1）在方法一所發(fā)生的反應中，除生成磷酸亞鐵鋰、乙酸外，還有H₂O，該反應中銨根離子生成氨氣、碳酸根離子生成二氧化碳；
（2）在方法二中，陽極上Fe失電子和磷酸二氫根離子、鋰離子反應生成磷酸亞鐵鋰；
（3）在方法三中，從濾渣Ⅰ溶于酸得到鋁離子，氫氧化鋁不溶于弱堿但能溶于強堿，所以a為氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼燒Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃；
①鋁離子和一水合氨反應生成Al（OH）₃沉淀；
②濾渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃；
③在高溫下生成磷酸亞鐵鋰，根據(jù)反應物、生成物和反應條件書寫方程式；
（4）中含有酯基，能和NaOH反應生成酸式鹽和醇；
（5）磷酸鐵鋰動力電池（簡稱LFP）工作原理為：C₆Li+FePO₄$?_{充電}^{放電}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，充電時的陰極上C₆Li_（1-x）得電子發(fā)生還原反應，若用該電池電解精煉銅，陰極質(zhì)量增重12.8g，則陰極析出n（Cu）=$\frac{12.8g}{64g/mol}$=0.2mol，銅離子得到的電子為0.4mol，則電池中通過聚合物隔膜的Li⁺數(shù)目為0.4N_A．

解答 解：方法三：2LiAl（SiO₃）₂+H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;250-300℃\;}}{\;}$Li₂SO₄+Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，冷卻加水過濾得到濾液I和濾渣I，濾渣中含有Al₂O₃•4SiO₂•H₂O↓，濾液中含有Li₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄，向濾液中加入NaOH、Na₂CO₃，鎂離子和NaOH反應生成氫氧化鎂沉淀，鈣離子和碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀，所以濾渣II為Mg（OH）₂、CaCO₃，濾液中含有硫酸鋰，向濾液中加入飽和碳酸鈉得到碳酸鋰沉淀，鐵和磷酸反應生成磷酸鐵，C、磷酸鐵和碳酸鋰在高溫下反應生成LiFePO₄；
（1）在方法一所發(fā)生的反應中，除生成磷酸亞鐵鋰、乙酸外，還有H₂O，該反應中銨根離子生成氨氣、碳酸根離子生成二氧化碳，所以生成的物質(zhì)中還含有的氣體是CO₂、NH₃，故答案為：CO₂、NH₃；
（2）在方法二中，陽極上Fe失電子和磷酸二氫根離子、鋰離子反應生成磷酸亞鐵鋰，電極反應式為Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺，
故答案為：Fe+H₂PO₄^-+Li⁺-2e^-=LiFePO₄+2H⁺；
（3）在方法三中，從濾渣Ⅰ溶于酸得到鋁離子，氫氧化鋁不溶于弱堿但能溶于強堿，所以a為氨水，向溶液中加入氨水得到Al（OH）₃沉淀，灼燒Al（OH）₃沉淀得到Al₂O₃；
①鋁離子和一水合氨反應生成Al（OH）₃沉淀，離子方程式為Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺，故答案為：Al³⁺+3NH₃•H₂O=Al（OH）₃↓+3NH₄⁺；
②濾渣Ⅱ的主要成分是：Mg（OH）₂、CaCO₃，故答案為：Mg（OH）₂、CaCO₃；
③在高溫下生成磷酸亞鐵鋰，根據(jù)反應物、生成物和反應條件書寫方程式為2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑，
故答案為：2FePO₄+Li₂CO₃+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2LiFePO₄+3CO↑；
（4）中含有酯基，能和NaOH反應生成酸式鹽和醇，反應方程式為，故答案為：；
（5）磷酸鐵鋰動力電池（簡稱LFP）工作原理為：C₆Li+FePO₄$?_{充電}^{放電}$C₆Li_（1-x）+（1-x）FePO₄+xLiFePO₄，充電時的陰極上C₆Li_（1-x）得電子發(fā)生還原反應，陰極反應式為C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li，若用該電池電解精煉銅，陰極質(zhì)量增重12.8g，則陰極析出n（Cu）=$\frac{12.8g}{64g/mol}$=0.2mol，銅離子得到的電子物質(zhì)的量=0.2mol×2=0.4mol，根據(jù)電荷守恒則電池中通過聚合物隔膜的Li⁺數(shù)目為0.4N_A，
故答案為：C₆Li_（1-x）+xLi⁺+xe^-═C₆Li； 0.4N_A．

點評 本題考查物質(zhì)的分離和提純，綜合性較強，涉及原電池原理、有機物性質(zhì)、物質(zhì)分離和提純試劑的選取等知識點，明確化學反應原理、物質(zhì)性質(zhì)及性質(zhì)差異性是解本題關(guān)鍵，側(cè)重考查學生分析計算及綜合知識運用能力，難點是電極反應式的書寫．