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流程图题
(2013新课标Ⅰ27)锂离子电池的应用很广,其正极材料可再生利用,某锂离子电池正极材料有钴酸锂(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)LiCoO2中,Co元素的化合价为。
(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式。
(3)“酸浸”一般在80℃下进行,写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式;可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液,但缺点是。
(4)写出“沉钴”过程中反应的化学方程式。
(5)充电过程中,发生LiCoO2与Li1-XCoO2之间的转化,写出放电时电池反应方程式。
(6)上述工艺中,“放电处理”有利于锂在正极的回收,其原因是。
在整个回收工艺中,可回收的金属化合物有(填化学式)。
【命题思路】本题属于无机综合——化工流程题,主要考查废旧锂离子电池的再生利用及化学方程式、离子方程式和电极反应式的书写。
【解析】化工流程题要读懂各步所发生的反应,然后运用所学基本概念和基本理论及元素化合物知识得出答案。
根据化合价规则可以得出
(1)中钴的化合价为+3;熟悉Al的性质即可快速写出
(2)中离子方程式。
理解氧化还原反应含义,可以写出(3)中化学方程式;读懂流程图,即可写出“沉钴”过程中的反应方程式。
根据化合价变化并结合放电可以写出(5)中电池总反应,理解原电池反应原理即可轻松完成问题(6)。
解析:
(1)略
(2)“正极碱浸”的离子方程式,依据题干中“正极材料有钴酸锂(LiCoO2)导电剂乙炔黑和铝箔等”即可得出。
(3)“酸浸”发生的所有氧化还原反应的化学方程式,依据流程图中LiCoO2转化为CoSO4的化合价变化及H2O2的不稳定性可知答案。
进一步可推知盐酸作为代用物时,盐酸的性质:
酸性、还原性,由反应和环保知识可得弊端。
(4)“沉钴”过程中反应的化学方程式,根据流程图中加入NH4HCO3使CoSO4转化为CoCO3,对比反应物和产物,方程式不难写出。
(5)可否练习写一下原电池的电极反应式:
负极:
LixC6-xe-=6C+xLi+(可根据题干充电时的负极反应式书写,体会信息应用和充放电的关系)
正极:
Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2(由问题中的信息:
充放电过程中,发生LiCoO2与Li1-XCoO2之间的转化,电极反应中必出现LiCoO2与Li1-XCoO2)
(6)“放电处理”的原因,根据原电池工作原理:
阳离子Li+向正极定向移动,再加上设问中“有利于锂在正极的回收”可知。
可回收的金属化合物,在流程图中直观的显示出来。
答案:
(1)+3
(2)2Al+2OH-+6H2O=2Al(OH)4-+3H2↑
(3)2LiCoO2+3H2SO4+H2O2
Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O
2H2O2
2H2O+O2↑;有氯气生成,污染较大
(4)CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3↓+(NH4)2SO4+H2O+CO2↑
(5)Li1-XCoO2+LixC6=LiCoO2+6C
(6)Li+从负极中脱出,经由电解质向正极移动并进入正极材料中;Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。
本题可与13年新课标Ⅱ的11题对比,均以新型电池为载体考查电化学知识,只是本题以主观题形式出现,考查知识面更宽一些,难度更大一些,更能体现用问题解决问题,用问题挖掘信息,更能考查学生的陌生背景下提取信息、整合信息、应用信息解决问题的能力。
而11题以客观题形式出现,考查角度更单薄一些而已。
此题也可与2007年天津卷13题进行对比,采集信息。
(2007全国卷天津考题)13.天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。
锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴(LiCoO2),充电时LiCoO2中Li被氧化,Li+迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中,以LiC6表示。
电池反应为LiCoO2+C6
CoO2+LiC6,下列说法正确的是
A.充电时,电池的负极反应为LiC6-e-==Li+C6
B.放电时,电池的正极反应为CoO2+Li++e-==LiCoO2,
C.羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质
D.锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低
(2013新课标Ⅱ27)氧化锌为白色粉末,可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。
纯化工业级氧化锌(含有Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)等杂质)的流程如下:
提示:
在本实脸条件下,Ni(Ⅱ)不能被氧化;高锰酸钾的还原产物是MnO2。
回答下列问题:
(1)反应②中除掉的杂质离子是,发生反应的离子方程式为;在加高锰酸钾溶液前,若pH较低,对除杂的影响是;
(2)反应③的反应类型为,过滤得到的滤渣中,除了过量的锌外还有;
(3)反应④形成的沉淀要用水洗,检验沉淀是否洗涤干净的方法是
。
(4)反应④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn(OH)2。
取干操后的滤饼11.2g,煅烧后可得到产品8.1g,则x等于。
答案:
(1)Fe2+和Mn2+(2分)
MnO4-+3Fe2++7H2O===MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+(2分)
3Mn2++2MnO4-+2H2O===5MnO2↓+4H+(2分)
不会形成Fe(OH)3和MnO2沉淀。
或无法除去Fe2+和Mn2+(2分)
(2)置换反应(1分);Ni(1分)
(3)取最后一次洗涤液少量于试管中,滴入稀盐酸,加入氯化钡溶液,没有白色沉淀生成,证明洗涤干净。
(原答案:
滴入1-2滴稀硝酸,再滴入硝酸钡溶液)(2分)
(4)1(2分)
流程图题解法初探:
流程图题特点:
情景新、载体陌生;信息量大、信息呈现方式多;考查知识广泛、涉猎面宽;与工业生产实际联系紧密;能力考查综合。
明确流程图题的模式:
一般分为叙述性题干、流程图、问题。
解决方法:
(1)建立大流程图观,通读全题,整体把握题目中的信息(包括:
文字、图表、数据)、设问的内容、研究对象,切忌将注意力一味集中在题干和流程图中,或与题中某个搞不清晰的点死磕到底,一定同时关注设问的内容和角度,将思维流动起来。
(2)初步分析流程中各个步骤的作用和功能,包括原有残留物成分、所加试剂、发生的反应、分离及剩余物的组成。
(3)单信息、多信息并重,将信息、已有知识和题目设问有机融合、有效对应,理清各步骤的作用和流程,学会用信息解决问题,用问题解决问题。
同一道推断题中,有的结论只要分析单个信息就可以得出,有的结论需要同时综合多条信息才能得出。
(4)正向、逆向、双向三种形式的推理并用,准确寻求突破口,科学作答,高效得分。
1、寻找突破口,一般是等等。
4、定性、定量分析相结合,计算和逻辑推理相结合。
推断过程中既需要定性分析,又需要定量计算,
常用突破口:
一些物质的特殊性质和用途:
颜色、状态、存在和应用的广度,漂白性、气体的酸碱性等特殊的化学性质,大气循环和污染,工业生产原料;元素守恒;化合价变化;物质性质;题目中叙述性的关键词;物料的进出、用量比;反应条件。
答题必备的基本功:
氧化还原反应配平;离子方程式的书写技巧;化学反应原理部分的基本知识;计算能力;知识迁移能力;实验能力;提取、挖掘、整合、应用信息能力;科学准确的表述能力。
变形练习:
1.工业上可以从电解铜的阳极泥中提取很多重要物质,工艺流程如下:
已知:
①阳极泥的主要化学成分,如表1所示:
表1
主要成分
CuAgAuSeTe
百分含量/%
23.412.10.96.73.1
②温度和硫酸浓度对阳极泥中各组分浸出率的影响,如表2所示:
表2
固定浸出温度
固定H2SO4浓度
H2SO4浓度
/mol·L-1
浸出率/%
浸出温度
/℃
浸出率/%
CuAgAuSeTe
CuAgAuSeTe
4
95.14.67<0.20.838.93
30
87.14.58<0.20.086.83
3
94.54.65<0.20.286.90
40
94.54.65<0.20.286.90
2
78.12.65<0.20.052.85
50
96.15.90<0.20.648.73
(1)步骤Ⅰ的主要目的为浸出铜,此过程中发生的主要反应的化学方程式为____________;分析表2数据,可知步骤Ⅰ最适合的条件为____________________________。
(2)步骤Ⅱ中,加入Cu粉的目的是除去滤液中含碲的离子,加入NaCl的目的为_______。
(3)步骤Ⅲ的操作方法为________________________。
(4)步骤Ⅳ中,反应温度为75℃。
加入H2O2溶液的作用为_____________;此过程中H2O2溶液的添加量要远远高于理论值,原因为_______________________。
(5)步骤Ⅵ中所发生反应的化学方程式为。
(6)步骤Ⅶ中,Te的获得可以通过碱性环境下电解Na2TeO3溶液实现,其阴极的电极反应式为__________________________。
(7)步骤Ⅷ中得到的Ag、Au混合物可以用________进行分离(填
选项字母)。
A.浓硝酸B.浓盐酸C.浓氢氧化钠溶液D.王水
2.氯碱工业是高耗能产业,一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节能30%以上。
在这种工艺设计中,相关物料的传输与转化关系如下图所示,其中甲、乙、丙、丁均为石墨电极。
(1)为了有效除去粗盐中混有的Ca2+、Mg2+、SO
,加入试剂的合
理顺序为_________。
(填选项字母)
A.先加Ba(OH)2,再加Na2CO3,最后加入适量稀盐酸
B.先加NaOH,再加Na2CO3,然后加BaCl2,最后加入适量稀盐酸
C.先加Na2CO3,再加BaCl2,然后加NaOH,最后加入适量稀盐酸
D.先加Ba(NO3)2,再加NaOH,然后加Na2CO3,最后加入适量稀盐酸
(2)图中丙电极为极,该电极的电极反应式为;
(3)电极乙附近溶液的pH_________(填“增大”、“减小”或“不变”);
(4)若导线中流过5.0mole-,理论上生产标准状况下X的体积为;
(5)图示中氢氧化钠的质量分数a%、b%、c%由大到小的顺序为;
(6)这样设计的主要节能之处在于(任写1条)。
3.硫酸锌是一种重要的食品添加剂和制药原料。
工业上常用菱锌矿(主要成分是ZnCO3,含少量的Fe2O3、FeCO3、MgO、CaO等)生产硫酸锌,工艺流程如下:
已知:
Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10-12Ksp[Zn(OH)2]=1.0×10-17
Ksp[Ca(OH)2]=4.0×10-6
离子浓度小于10-5mol/L时,认为该离子不存在。
(1)Ca(OH)2溶于水,形成的饱和溶液的物质的量浓度为。
(2)写出一种工业上冶炼镁的方法(用化学方
程式表示)。
(3)步骤2中所有反应的离子方程式为。
(4)沉淀1的组成元素为Fe、H,相对分子质量为89,则沉淀1的
化学式为。
(5)步骤4中,调节溶液的pH,选择的合理试剂为(填化学式)。
(6)步骤6中,加入锌粉的目的为。
(7)步骤7的在操作为、、过滤,洗涤,干燥。
(8)步骤4中,欲使沉淀2沉淀完全,需调节溶液的pH至少为。
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