Question

【題目】工業上利用β-鋰輝礦(LiAlSi2O6和少量MgO、CaCO3雜質)制備金屬鋰，工藝流程如下：

回答下列問題：

(1)β-鋰輝礦的主要成分LiAlSi2O6中存在的原子團為_____________。

(2)工業上加快酸浸速率除調整硫酸濃度、升高溫度外還可以采取的措施為_____________。浸出液中加入CaCO3的主要作用為______________________。

(3)一定溫度下,Ksp(CaCO3)=2.5×10-9,Ksp(Li2CO3)=1.6×10-3,若反應Ⅱ的溶液中c(Ca2+)和c(Li+)均為1.0mol·L-1,則開始滴加稀Na2CO3溶液時，理論上c(CO32-)應控制的范圍為_________;實際操作中CaCO3和Li2CO3可能同時析出，從而造成Li+損失，一種改進的工藝是利用草酸鈉代替Na2CO3作為沉淀劑，分析使用草酸鈉的原因為_____________________。

(4)反應Ⅲ的離子方程式為_______________________。常溫下，Na2CO3的溶解度為29.4g,判斷反應Ⅲ能否使溶液中Li+沉淀完全?_______________________________________________________(列式計算)。[化學上規定，當某離子濃度≤10-5mol·L-1時即可認為該離子沉淀完全]

(5)高溫下發生反應Ⅳ的化學方程式為_____________________________________________。

(6)一定溫度下，LiAlSi2O6與不同濃度的硫酸反應30min時結果如下表所示：

c(H2SO4)/mol·L-1	1.0	5.0	10.0	16.0	18.0
Li浸出率/%	30	60	90	80	70
Al浸出率/%	30	60	40	10	0

試分析酸浸過程中，若使c(H2SO4)=10.0mol·L-1，則該工藝條件的優缺點為____________________。

Answer 1

【答案】SiO32- 粉碎、攪拌 中和過量的硫酸，調節溶液pH 2.5×10-9 mol·L-1<c(CO32-)≤1.6×10-3 mol·L-1 草酸鈣難溶于水，而草酸鋰易溶于水 2Li++CO32- = Li2CO3↓ 當c(Li+)=1.0×10-5mol·L-1時，c(CO32-)=1.6×10-3/(1.0×10-5)2=1.6×107 mol·L-1，遠大于飽和Na2CO3溶液的濃度，故Li+沒有沉淀完全 3Li2O +2AlAl2O3 + 6Li 優點：反應速率快，Li浸出率高；相同浸取率需要的反應溫度低，消耗能量少。

缺點：Al浸出率較高，需要增加除Al雜質的步驟

【解析】

β-鋰輝礦（主要成分為LiAlSi2O6，還含有少量MgO、CaCO3等雜質）為原料來制取金屬鋰，加入過量濃硫酸溶解β-鋰輝礦，加入碳酸鈣再加入適量石灰乳，使鎂離子沉淀完全，加入稀碳酸鈉沉淀鈣離子，過濾得到溶液中主要是鋰離子的溶液，蒸發濃縮，加入碳酸鈉沉淀鋰離子生成碳酸鋰，洗滌后煅燒得到氧化鋁，加入鋁粉高溫條件下置換出鋰同時生成氧化鋁。(1)β-鋰輝礦的主要成分LiAlSi2O6為硅酸鹽，存在的原子團為SiO32-；(2)工業上加快酸浸速率除調整硫酸濃度、升高溫度外還可以采取的措施為粉碎、攪拌。浸出液中加入CaCO3的主要作用為中和過量的硫酸，調節溶液pH，使于除去鎂離子；(3) 反應Ⅱ應該控制鈣離子沉淀完全而鋰離子沒有開始沉淀，溶液中c(Ca2+)和c(Li+)均為1.0mol·L-1,Ksp(CaCO3)= c(Ca2+) c(CO32-)=2.5×10-9,得c(CO32-)=2.5×10-9，Ksp(Li2CO3)= c2(Li+) c(CO32-)= 1.6×10-3, 得c(CO32-)=1.6×10-3,故理論上c(CO32-)應控制的范圍為2.5×10-9 mol·L-1<c(CO32-)≤1.6×10-3 mol·L-1;實際操作中CaCO3和Li2CO3可能同時析出，從而造成Li+損失，一種改進的工藝是利用草酸鈉代替Na2CO3作為沉淀劑，因為草酸鈣難溶于水，而草酸鋰易溶于水；(4)反應Ⅲ是碳酸鈉與硫酸鋰反應生成碳酸鋰和硫酸鈉，反應的離子方程式為2Li++CO32- = Li2CO3↓；當c(Li+)=1.0×10-5mol·L-1時，c(CO32-)=1.6×10-3/(1.0×10-5)2=1.6×107 mol·L-1，遠大于飽和Na2CO3溶液的濃度，故Li+沒有沉淀完全；(5)高溫下發生反應Ⅳ的化學方程式為3Li2O +2AlAl2O3+ 6Li；(6) 酸浸過程中，若使c(H2SO4)=10.0mol·L-1，則該工藝條件的優點：反應速率快，Li浸出率高；相同浸取率需要的反應溫度低，消耗能量少；缺點：Al浸出率較高，需要增加除Al雜質的步驟。