Question

1．废旧锂离子电池的正极材料试样（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）可通过下列方法回收钴、锂．


已知：
①Co（OH）₂是两性氢氧化物．
②

氢氧化物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）3
开始沉淀的pH	3.1	7.1	2.2
完全沉淀的pH	4.7	9.7	3.7

请回答下列问题：
（1）浸出过程中为加快浸出速率，可以采取的措施有充分搅拌、升高温度（写出两点）．
（2）浸出过程中Na₂S₂O₃被氧化为Na₂SO₄的化学方程式为8LiCoO₂+11H₂SO₄+Na₂S₂O₃=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O．该过程中可用盐酸代替H₂SO₄和Na₂S₂O₃，但缺点是生成氯气，污染环境．
（3）滤渣的成分为Al（OH）₃、Fe（OH）₃，充入空气的目的是将Fe²⁺被氧化为Fe³⁺．
（4）沉钴过程中不使用NaOH溶液的原因是Co（OH）₂是两性氢氧化物，能与NaOH溶液反应导致沉淀的质量减少．当溶液中c（Co²⁺）≤10^-5mol•L^-1时即认为沉淀完全，则需要控制x≥9（K_sp[Co（OH）₂]=1.0×10^-15）．制得的Co（OH）₂不宜在空气中长期放置，会被空气中的O₂氧化成Co（OH）₃，化学反应方程式为4Co（OH）₂+O₂+2H₂O=4Co（OH）₃．
（5）碳酸锂的溶解度随温度的变化如右图所示，则洗涤碳酸锂沉淀时应选热水（填“热水”或“冷水”）．

Answer 1

分析 废旧锂离子电池的正极材料主要含有LiCoO₂（也表示为：Li₂O•Co₂0₃）及少量Al、Fe等，向样品中加入稀硫酸、硫代硫酸钠，Na₂S₂O₃被氧化为Na₂SO₄，Co³⁺被还原为Co²⁺，Al、Fe也溶解，然后向溶液中通入空气，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH=5，使Al³⁺、Fe³⁺转化为Al（OH）₃、Fe（OH）₃沉淀，过滤除去，滤液中再加入氨水使Co²⁺转化为Co（OH）₂沉淀，过滤后向滤液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃．
（1）搅拌、升高温度、增大酸的浓度、将正极材料粉碎等都可以加快浸出速率；
（2）浸出过程中Na₂S₂O₃被氧化为Na₂SO₄，+3价Co还原为+2Co，反应生成CoSO₄、Li₂SO₄、Na₂SO₄与水；用盐酸代替H₂SO₄和Na₂S₂O₃，会氧化生成氯气，污染环境；
（3）滤渣的成分为氢氧化铁、氢氧化铝；溶液中通入空气将Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，以便调节pH转化为沉淀，过滤除去；
（4）Co（OH）₂是两性氢氧化物，NaOH溶液可以溶解Co（OH）₂；
根据K_sp[Co（OH）₂]=c（Co²⁺）×c²（OH^-）=1.0×10^-15计算c（OH^-），进而计算控制溶液pH；
Co（OH）₂会被空气中的O₂氧化成Co（OH）₃，与氢氧化亚铁氧化类似；
（5）碳酸锂的溶解度随温度的升高而减小，应采取热水洗涤，减少因溶解导致的损失．

解答 解：废旧锂离子电池的正极材料主要含有LiCoO₂（也表示为：Li₂O•Co₂0₃）及少量Al、Fe等，向样品中加入稀硫酸、硫代硫酸钠，Na₂S₂O₃被氧化为Na₂SO₄，Co³⁺被还原为Co²⁺，Al、Fe也溶解，然后向溶液中通入空气，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH=5，使Al³⁺、Fe³⁺转化为Al（OH）₃、Fe（OH）₃沉淀，过滤除去，滤液中再加入氨水使Co²⁺转化为Co（OH）₂沉淀，过滤后向滤液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃．
（1）浸出过程中为加快浸出速率，可以采取的措施有：充分搅拌、升高温度、增大酸的浓度、将正极材料粉碎等，
故答案为：充分搅拌、升高温度等；
（2）浸出过程中Na₂S₂O₃被氧化为Na₂SO₄，+3价Co还原为+2Co，反应生成CoSO₄、Li₂SO₄、Na₂SO₄与水，反应方程式为：8LiCoO₂+11H₂SO₄+Na₂S₂O₃=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O，用盐酸代替H₂SO₄和Na₂S₂O₃，会氧化生成氯气，污染环境，
故答案为：8LiCoO₂+11H₂SO₄+Na₂S₂O₃=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；生成氯气，污染环境；
（3）滤渣的成分为Al（OH）₃、Fe（OH）₃；溶液中通入空气将Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，以便调节pH转化为沉淀，过滤除去，
故答案为：Al（OH）₃、Fe（OH）₃；将Fe²⁺被氧化为Fe³⁺；
（4）Co（OH）₂是两性氢氧化物，NaOH溶液可以溶解Co（OH）₂，导致固体质量减少，
当溶液中c（Co²⁺）≤10^-5mol•L^-1时即认为沉淀完全，根据K_sp[Co（OH）₂]=c（Co²⁺）×c²（OH^-）=1.0×10^-15，可知c（OH^-）=10^-5mol•L^-1，故c（H⁺）=10^-9mol•L^-1，则控制溶液pH≥9，
Co（OH）₂会被空气中的O₂氧化成Co（OH）₃，与氢氧化亚铁氧化类似，反应方程式为：4Co（OH）₂+O₂+2H₂O=4Co（OH）₃，
故答案为：Co（OH）₂是两性氢氧化物，能与NaOH溶液反应导致沉淀的质量减少；9；4Co（OH）₂+O₂+2H₂O=4Co（OH）₃；
（5）碳酸锂的溶解度随温度的升高而减小，应采取热水洗涤，减少因溶解导致的损失，
故答案为：热水．

点评 本题考查物质制备工艺流程，涉及物质的分离提纯、条件控制、对原理的分析等，明确流程图中各个步骤发生的反应或操作目的是解本题关键，是对学生综合能力的考查，题目难度中等．