专题21主族金属锂及其化合物原卷版.docx
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专题21主族金属锂及其化合物原卷版
系列二主族金属
专题11锂及其化合物
(1)在IA族碱金属中,锂原子半径最小,极化能力强,表现出与Na和K等的不同性质,它与ⅡA族里的Mg相似,内在原因是处于对角线的Li和Mg,离子的电荷与半径的比值相近,即离子的电场强度相近。
(2)锂与氧气反应生成氧化物Li2O,而不形成过氧化物和超氧化物;与氮气形成氮化物Li3N,而其他碱金属不能与N2直接化合;与碳反应生成乙炔锂(Li2C2);与水反应生成氢气,但反应速率比Na或K缓慢得多,主要是因为生成的氢氧化锂溶解度小,覆盖在金属表面阻碍反应。
(3)Li2CO3、Li3PO4和LiF等锂盐溶解度远远小于对应的钠盐和钾盐。
(4)LiOH,Li2CO3都不稳定,加热分解:
2LiOH
Li2O+H2O,Li2CO3
Li2O+CO2↑,其他碱金属元素对应的碱和碳酸盐加热不易分解。
(5)LiNO3加热分解生成氧化物:
4LiNO3
Li2O+4NO2↑+O2↑;其他碱金属硝酸盐分解成亚硝酸盐和NO2
(6)LiCl·nH2O受热分解时发生水解,生成LiOH
(7)LiCoO2一般作为锂离子电池的正极材料,发生如下反应:
放电Li1-xCoO2+LixC
LiCoO2+C
(8)LiAiH4遇水发生爆炸性反应生成氢气,是有机合成中重要的还原剂,可以还原醛、酮、酸中的不饱和碳氧双键(C=O),也可以将硝基还原成氨基。
(9)工业制取Li常用电解熔融氯化物的方法来大量生产。
【习题1】特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂电池,其工作原理如下图,A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料,隔膜只允许Li+通过,电池反应式LixC6+Li1-xCoO2
C6+LiCoO2。
下列说法不正确的是
A.放电时电子从A极通过导线流向B极B.放电时A是负极
C.放电时Li+从右向左定向迁移D.钴酸锂电池为二次电池
【习题2】电动车电池是一种锂离子电池.根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可分为液态锂离子电池(简称为LIB)和聚合物锂离子电池(简称为LIP)两大类.聚合物锂离子电池总反应:
LioO2+6CLi1-x
CoO2+LixC6,以下说法不正确的是
A.充电时,电池的负极与电源的负极相连
B.充电时,阴极发生还原反应:
6C+xLi++xe-═LixC6
C.放电时,正极发生还原反应Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2
D.放电时,Li+向负极移动
【习题3】磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性,具有较长的循环寿命,放电时的反应为:
LixC6+Li1-xFePO4=6C+LiFePO4。
某磷酸铁锂电池的切面如图所示,下列说法错误的是
A.放电时有NA个电子转移,就有1molLi+脱离石墨,经电解质嵌入正极
B.隔膜在反应过程中不允许Li+通过
C.充电时电池正极上发生的反应为:
LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi
D.充电时电子从电源负极流出经铜箔流入阴极材料
【习题4】我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系,下列叙述错误的是( )
A.放电时,a极锂的化合价发生变化
B.电流的方向为a到b
C.a为电池的正极
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
【习题5】一种可充电锂空气电池如图所示。
当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。
下列说法正确的是()
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.放电时,电解质溶液中Li+向锂电极迁移
D.放电时,电池总反应为2Li+(1-
)O2=Li2O2-x
【习题6】2019年诺贝尔化学奖授予三位开发锂离子电池的科学家。
某高能锂离子电池的反应方程式为
(x<1)。
以该锂离子电池为电源、苯乙酮为原料制备苯甲酸的装置如图所示(苯甲酸盐溶液酸化后可以析出苯甲酸)。
下列说法正确的是
A.电池放电时,Li+向b极移动
B.电池充电时,a极反应式为LiCoO2-xe-=Lil-xCoO2+xLi+
C.M为阳离子交换膜
D.生成苯甲酸盐的反应为
+3IO−→
+CHI3+2OH-
【习题7】利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
LiOH可由电解法制备,利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为_____________溶液(填化学式),阳极电极反应式为_______________,电解过程中Li+向________电极迁移(填“A”或“B”)。
【习题8】锂电池应用很广,某种锂离子电池,其正极材料可再生利用。
其正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。
充电时,该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi++xe-=LixC6,现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)。
回答下列问题:
(1)写出“正极碱浸”中发生反应的化学方程式____________;
(2)“酸浸”一般在80℃下进行,写出该步骤中发生的主要氧化还原反应的化学方程式________________________;如果可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合溶液,可能发生反应的离子方程式___________________________;
(3)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________________;
(4)充放电过程中,发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化,写出充电时正极的电极反应_____________________________________;
(5)在整个回收工艺中,可回收到的金属化合物有____________(填化学式);
(6)最近美国和韩国的科学家合作研究出新型锂—空气电池,他们的锂—空气电池在放电过程中产生稳定的晶状超氧化锂(LiO2),超氧化锂可以很容易地分解成锂和氧,从而具有更高的效率和更长的循环寿命。
请写出该电池正极的电极反应____________。
【习题9】碳酸锂广泛应用于陶瓷和医药等领域,在水中的溶解度比较小。
以锂辉石(主要成分为Li2O,含有少量SiO2、Al2O3、Fe2O3)为原料制备Li2CO3的流程如下:
(1)写出“酸溶”时Li2O发生反应的离子方程式:
________________________________________________________。
(2)“除杂”时所用NaOH溶液不能过量,原因是___________________________________________。
(3)“除杂”时检验铁元素已完全除去的方法是____________________________________。
(4)写出“沉淀”时反应的化学方程式:
__________________________________________________。
(5)检验最终所得碳酸锂样品中是否含有Na2CO3的方法是:
____________________________________。
【习题10】因在航空、核能、电池等高技术领域的重要作用——锂被称为“21世纪的能源金属”。
完成下列填空:
(1)锂位于元素周期表的________。
锂的很多化学性质与镁相似,请依据元素周期律进行解释:
_________。
(2)氢化锂(LiH)是离子化合物,写出其阴离子的电子式_______________,LiH中阴离子半径大于阳离子半径,其原因是__________________________________________________。
(3)工业上用Li2CO3制取锂的化合物及金属锂。
碳原子核外电子有________种不同能量的电子,其中有两个电子的能量最高且能量相等,这两个电子所处的轨道是_____________________。
(4)用Li2CO3、氨水和液溴制备LiBr·H2O的流程如下:
①合成时,除生成LiBr外,还产生了两种参与大气循环的气体,补全产物并配平该反应的化学方程式:
Li2CO3+Br2+NH3·H2O→LiBr+()__________。
②溴化锂的溶解度随温度变化曲线如图所示,请补全从溶液中得到LiBr·H2O晶体的实验步骤:
___________、过滤、用乙醇洗涤,干燥。
【习题11】锂是最轻的活泼金属,其单质及其化合物有广泛的用途。
回答下列问题:
(1)用碳酸锂和_______反应可制备氯化锂,工业上可由电解LiCl-KCl的熔融混合物生产金属锂,阴极上的电极反应式为__________________。
(2)不可使用二氧化碳灭火器扑灭因金属锂引起的火灾,其原因是________________。
(3)硬脂酸锂是锂肥皂的主要成分,可作为高温润滑油和油脂的稠化剂。
鉴别硬脂酸锂与硬脂酸钠、硬脂酸钾可采用的实验方法和现象分别是______________________。
(4)LiPF6易溶于有机溶剂,常用作锂离子电池的电解质。
LiPF6受热易分解,其热分解产物为PF5和__________。
【习题12】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图所示:
已知:
①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的pH如下表:
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:
________________________。
(2)反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是___________________。
(3)流程中两次使用碳酸钠溶液,请说明前后两次使用中浓度不同的原因:
______________。
(4)洗涤所得Li2CO3沉淀要使用________(填“热水”或“冷水”),你选择的理由是________________。
(5)将盐酸与Li2CO3完全反应后的溶液,加热蒸干得到固体,再将其熔融电解生产锂。
电解时产生的氯气中会混有少量氧气,原因是:
__________________________。
(6)下列关于金属锂及碱金属的说法正确的是___________(填序号)。
A.锂是碱金属,其熔点高于钠B.根据对角线原则,氢氧化锂是强碱
C.金属锂的氧化物形式十分复杂D.碱金属中密度最小的是锂,其次是钠
13.氮化锂是一种优良的贮氢材料,它是一种紫色或红色的晶状固体,在空气中长期暴露,最终会变成碳酸锂。
氮化锂易水解生成氢氧化锂和氨气,在空气中加热能剧烈燃烧,特别是细粉末状的氮化锂;锂与氨反应生成LiNH2和H2。
实验室用干燥、纯净的N2与金属锂(密度为0.534g·cm-3)反应制取氮化锂。
某课题组拟选择下列装置完成实验(装置可重复使用):
回答下列问题:
(1)若实验室用生石灰与浓氨水混合制备少量氨气,气流从左至右,选择上述装置制备少量氮化锂。
装置连接顺序为__________________________________________。
(2)E装置的作用是_____________________________;写出D中化学方程式为______________________________。
(3)实验步骤如下:
①装药品②引发反应产生氨气③检查装置气密性④点燃C处酒精灯⑤点燃D处酒精灯。
正确的先后顺序为________________________________。
(填序号)
(4)实验室保存锂的方法是______________;写出C中的化学方程式________________________________。
氮化锂的电子式为_______________________________________
(5)设计简单实验证明C中产物为氮化锂:
___________________________________。
【习题14】LiPF6是锂离子电池中广泛应用的电解质。
某工厂用LiF、PCl5为原料,低温反应制备LiPF6,其流程如下:
已知:
HCl的沸点是-85.0℃,HF的沸点是19.5℃。
(1)第①步反应中无水HF的作用是_____________、___________。
反应设备不能用玻璃材质的原因是_______________(用化学方程式表示)。
(2)该流程需在无水条件下进行,第③步反应中PF5极易水解,其产物为两种酸,写出PF5水解的化学方程式:
____________。
(3)第④步分离采用的方法是__________;第⑤步分离尾气中HF、HCl采用的方法是__________。
【习题15】氢化铝锂(LiAlH4)是有机合成中的重要还原剂。
某课题组设计实验制备氢化铝锂并测定其纯度。
已知:
氢化铝锂、氢化锂遇水都剧烈反应并产生同一种气体。
活泼金属硫化物与酸反应产生H2S气体。
Ⅰ、制备氢化锂:
选择下图中的装置制备氢化锂(有些装置可重复使用):
(1)装置的连接顺序(从左至右)为A→___________________________________。
(2)检查好装置的气密性,打开装置A中分液漏斗的活塞后,点燃酒精灯前需进行的实验操作是________。
Ⅱ、制备氢化铝锂
1947年,Schlesinger、Bond和Finholt首次制得氢化铝锂,其方法是使氢化锂与无水三氯化铝按一定比例在乙醚中混合,搅拌,充分反应后,经一系列操作得到LiAlH4晶体。
(3)写出氢化锂与无水三氯化铝反应的化学方程式_________________________。
Ⅲ.测定氢化铝锂产品(不含氢化锂)的纯度
(4)按下图连接好装置后,检查装置气密性的操作是:
_____________________。
装好药品(Y形管中的蒸馏水足量,为了避免氢化铝锂遇水发生爆炸,蒸馏水中需掺入四氢呋喃作稀释剂),启动反应的操作是__________________。
(5)在标准状况下,反应前量气管(由碱式滴定管改装而成)读数为V1mL,反应完毕并冷却之后,量气管读数为V2mL。
该样品的纯度为_________(用含a、V1、V2的代数式表示)。
如果起始读数时俯视刻度线,测得的结果将_________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
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- 专题 21 金属 及其 化合物 原卷版