2022高考化學(xué) 難點剖析 專題52 廢舊電池的處理講解
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1、2022高考化學(xué) 難點剖析 專題52 廢舊電池的處理講解 一、高考題再現(xiàn) 1.(2018課標(biāo)I)磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)電池是新能源汽車的動力電池之一。采用濕法冶金工藝回收廢舊硫酸亞鐵鋰電池正極片中的金屬,其流程如下: 下列敘述錯誤的是 A. 合理處理廢舊電池有利于保護環(huán)境和資源再利用 B. 從“正極片”中可回收的金屬元素有Al、Fe、Li C. “沉淀”反應(yīng)的金屬離子為Fe3+ D. 上述流程中可用硫酸鈉代替碳酸鈉 【答案】D 2.(2016北京)(12分)以廢舊鉛酸電池中的含鉛廢料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4為原 料,制備高純P
2、bO,實現(xiàn)鉛的再生利用。其工作流程如下: (1)過程Ⅰ中,在Fe2+催化下,Pb和PbO2反應(yīng)生成PbSO4的化學(xué)方程式是__________。 (2)過程Ⅰ中,F(xiàn)e2+催化過程可表示為: i:2Fe2++ PbO2+4H++SO42?=2Fe3++PbSO4+2H2O ii: …… ①寫出ii的離子方程式:________________。 ②下列實驗方案可證實上述催化過程。將實驗方案補充完整。 a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液,溶液幾乎無色,再加入少量PbO2,溶液變紅。 b.______________。 (3)PbO溶解在NaOH溶液中,存在平衡
3、:PbO(s)+NaOH(aq)NaHPbO2(aq),其溶解度曲線如圖所示。 ①過程Ⅱ的目的是脫硫。濾液1經(jīng)處理后可在過程Ⅱ中重復(fù)使用,其目的是____._(選填序號)。 A.減少PbO的損失,提高產(chǎn)品的產(chǎn)率 B.重復(fù)利用氫氧化鈉,提高原料的利用率 C.增加Na2SO4濃度,提高脫硫效率 ②過濾Ⅲ的目的是提純,綜合上述溶解度曲線,簡述過程Ⅲ的操作_______________________。 【答案】(1)Pb + PbO2 + 2H2SO42PbSO4+ 2H2O。 (2)①2Fe3++Pb+SO42—==PbSO4+2Fe2+; ②取a中紅色溶液少量,加入過量Pb,充
4、分反應(yīng)后,紅色褪去。 (3)①A、B;②將粗PbO溶解在一定量35%NaOH溶液中,加熱至110℃,充分溶解后,趁熱過濾,冷卻結(jié)晶,過濾、洗滌并干燥得到PbO固體。 【解析】 試題分析:(1)根據(jù)題給化學(xué)工藝流程知,過程Ⅰ中,在Fe2+催化下,Pb、PbO2和H2SO4反應(yīng)生成PbSO4和水,化學(xué)方程式為Pb + PbO2 + 2H2SO42PbSO4+ 2H2O。 (2)①催化劑通過參加反應(yīng),改變反應(yīng)歷程,降低反應(yīng)的活化能,加快化學(xué)反應(yīng)速率,而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)前后保持不變。根據(jù)題給信息知反應(yīng)i中Fe2+被PbO2氧化為Fe3+,則反應(yīng)ii中Fe3+被Pb還原為Fe2+,離子方
5、程式為2Fe3++Pb+SO42—==PbSO4+2Fe2+; 二、考點突破 1、日常生活中處理 典例1(2018屆湖南省雙峰縣第一中學(xué)高三上學(xué)期第二次月考)化學(xué)與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。對下列現(xiàn)象或事實解釋不正確的是 ( ) 選項 現(xiàn)象或事實 解釋 A 廢舊電池回收處理 電池中含有重金屬離子,隨意丟棄會污染環(huán)境 B 硫的氧化物不能直接排放到空氣中 能形成光化學(xué)煙霧 C 熱的純堿清除炊具殘留油污 純堿水解成堿性 D 工業(yè)上常用電解法制Na、Mg 電解池的陰極析出物有強還原性 【答案】B 【解析】A、電池中含有重金屬離子,隨意丟棄會污染環(huán)境,因此廢
6、舊電池要回收處理,A正確;B、硫的氧化物容易形成酸雨,氮氧化物容易形成光化學(xué)煙霧,B錯誤;C、純堿水解顯堿性,加熱促進水解,因此熱的純堿清除炊具殘留油污,C正確;D、鈉和鎂是活潑的金屬,工業(yè)上電解法制備,因此電解時陰極析出物有強還原性,D正確。 2、工業(yè)處理 (1)廢舊干電池處理 典例2(2017屆陜西省西安市高三模擬一)研究發(fā)現(xiàn):一節(jié)電池爛在地里,能夠使一平方米的土地失去利用價值。廢舊電池的危害上要集中在其中所含的少量重金屬上。將廢舊鋅錳電池回收處理,既能減少它對環(huán)境的污染,又能實現(xiàn)廢電池的資源化利用。 (1)回收填料中的二氧化錳和氯化銨。已知:廢舊干電池填料的主要成分為二氧化錳、炭
7、粉、氯化銨和氯化鋅等,其中氯化銨、氯化鋅可溶于水?;厥瘴镔|(zhì)的流程如圖所示。 ① 操作中先將電池填料研碎的目的是:________________。 ② 操作l和操作2的名稱都是___________,該操作中玻璃棒的作用是___________。 ③ 灼燒濾渣l的目的是______________________。 (2)回收二氯化錳:將廢舊鋅錳電池處理,得到含錳混合物,向該混合物加入濃鹽酸并加熱。 ①寫出MnOOH與濃鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式:________________。 ② 錳回收新方法:向廢舊鋅錳電池內(nèi)的混合物[主要成分MnOOH、Zn(OH)2]中加入一定量的稀硫酸和
8、稀草酸(H2C2O4),并不斷攪拌至無CO2產(chǎn)生為止,寫出MnOOH參與反應(yīng)的化學(xué)方程式______________。與使用濃鹽酸回收錳相比,新方法的優(yōu)點是___________(答l點即可)。 (3)用廢電池的鋅皮可用于回收制作ZnSO4·7H2O。過程中,需除去鋅皮中的少量雜質(zhì)鐵,其方法是:常溫下,加入稀H2SO4和H2O2,鐵溶解變?yōu)镕e3+,加堿調(diào)節(jié)pH為4,使溶液中的Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀,此時溶液中c(Fe3+)=_________。繼續(xù)加堿調(diào)節(jié)pH為____時,鋅開始沉淀(假定Zn2+濃度為0.1mol/L)。部分難溶的電解質(zhì)溶度積常數(shù)(Ksp)如下表: 【答案
9、】增大接觸面積,加快反應(yīng)速率 過濾 引流 除去炭粉 2MnOOH+6HCl=2MnCl2+Cl2↑+4H2O ②2MnOOH+H2C2O4+2H2SO4=2MnSO4+2CO2↑+4H2O 藝流程簡單:生成CO2和H2O不影響MnSO4純度;反應(yīng)過程無有毒有害物質(zhì)生成,不造成二次污染;廢物資源化等(答1點即可) 2.6×10-9 6 ③ 灼燒濾渣l的目的是除去炭粉。 (2)①MnOOH與濃鹽酸反應(yīng)生成二氯化錳、氯氣和水,利用化合價升降法配平,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MnOOH+6HCl=2MnCl2+Cl2↑+4H2O。 ②MnOOH與稀硫酸和稀草酸(H2C2O4)反應(yīng)生成
10、硫酸錳、二氧化碳和水,利用化合價升降法配平,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MnOOH+H2C2O4+2H2SO4=2MnSO4+2CO2↑+4H2O 。與使用濃鹽酸回收錳相比,新方法的優(yōu)點是工藝流程簡單:生成CO2和H2O不影響MnSO4純度;反應(yīng)過程無有毒有害物質(zhì)生成,不造成二次污染;廢物資源化等。 (3)溶液的pH為4,c(OH-)=1×10-10mol/L,又Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)c3(OH-)=2.6×10-39,此時溶液中 c(Fe3+)= 2.6×10-9mol/L。Ksp[Zn(OH)2]=c(Zn2+)c2(OH-)=10-17,若Zn2+濃度為0.1mol/L,
11、則c(OH-)=10-8mol/L,c(H+)=10-6mol/L,pH=6。 (2)鉛酸電池處理 典例3(2018屆湖南省瀏陽一中、株洲二中等湘東五校高三12月聯(lián)考)利用新方案和新工藝處理廢舊鉛酸蓄電池,可以達到節(jié)能減排、防治污染和資源循環(huán)利用的目的。一種處理鉛酸蓄電池的流程如下: 已知:Ksp(PbSO4)=1.6×10-8)和Ksp(PbCO3)=7.4×10-14 ⑴寫出鉛酸蓄電池放電時的總反應(yīng)____________________________________________; ⑵廢舊電池的預(yù)處理時需要將電池放電完全,目的是_____________________
12、_______; ⑶寫出鉛膏脫硫時的離子方程式____________________________________________。 ⑷傳統(tǒng)的鉛蓄電池的處理工藝是將電池破碎后,洗滌,干燥,直接送入回轉(zhuǎn)爐熔煉。而該工藝使用純堿脫硫的顯著優(yōu)點是________________________________________。 ⑸從Na2SO4溶液中結(jié)晶出Na2SO4·10H2O晶體的方法是蒸發(fā)濃縮、___________、過濾洗滌,洗滌時用乙醇洗滌晶體,用乙醇而不用水洗滌的原因是______________________________。 【答案】Pb+PbO2+2H2SO4=2Pb
13、SO4+2H2O 將電極材料全部轉(zhuǎn)換為PbSO4 PbSO4(s)+CO32-(aq)PbCO3 (s)+ SO42-(aq) 可以減小污染,對環(huán)境友好 冷卻結(jié)晶 防止硫酸鈉晶體溶解,降低產(chǎn)品損耗 【解析】試題分析:(1)鉛酸蓄電池放電時鉛、二氧化鉛、硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛和水;(2)將電池放電完全電極材料全部轉(zhuǎn)換為PbSO4;(3)根據(jù)流程圖,鉛膏的成分是硫酸鉛,硫酸鉛與碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鉛、硫酸鈉;(4)硫酸鉛熔煉可以生成污染性的二氧化硫氣體;(5)采用蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶的方法從Na2SO4溶液中結(jié)晶出Na2SO4·10H2O;硫酸鈉難溶于乙醇,用乙醇洗滌晶體可以減少硫酸鈉晶體
14、溶解。 (3)鋰電池處理 典例4(2018屆山西省高三第一次模擬考試)鈷酸鋰(LiCoO2)電池是一種應(yīng)用廣泛的新型電源,電池中含有少量的鋁、鐵、碳等單質(zhì)。實驗室嘗試對廢舊鈷酸鋰電池回收再利用。實驗過程如下: 已知:①還原性:Cl->Co2+; ②Fe3+和C2O42-結(jié)合生成較穩(wěn)定的[ Fe(C2O4)3]3-,在強酸性條件下分解重新生成Fe3+?;卮鹣铝袉栴}: (1)廢舊電池初步處理為粉末狀的目的是________________________________________。 (2)從含鋁廢液得到Al(OH)3的離子反應(yīng)方程式為_____________________
15、_____________。 (3)濾液A中的溶質(zhì)除HCl、LiCl外還有__________(填化學(xué)式)。寫出LiCoO2和鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式__________________________________。 (4)濾渣的主要成分為____________________(填化學(xué)式)。 (5)在空氣中加熱一定質(zhì)量的CoC2O4·2H2O固體樣品時,其固體失重率數(shù)據(jù)見下表,請補充完整表中問題。 已知:①CoC2O4在空氣中加熱時的氣體產(chǎn)物為CO2 ②固體失重率=對應(yīng)溫度下樣品失重的質(zhì)量/樣品的初始質(zhì)量 序號 溫度范圍/℃ 化學(xué)方程式 固體失重率 Ⅰ 120-220
16、 CoC2O4·2H2OCoC2O4+2H2O 19.67% Ⅱ 300~350 _________________________ 59.02% (6)已知Li2CO3的溶度積常數(shù)Ksp=8.64×10-4,將濃度為0.02mol·L-1的Li2SO4和濃度為0.02 mol·L-1的Na2CO3溶液等體積混合,則溶液中的Li+濃度為___________mol·L-1 (7)從FeCl3溶液得到FeCl3·6H2O固體的操作關(guān)鍵是_________________________。 【答案】 增大接觸面積,加快反應(yīng)速率,提高浸出率 AlO2-+CO2+2H2O==A
17、l(OH?)3↓+?HCO3- FeCl3、CoCl2 2LiCoO2+8HCl==2CoCl2+Cl2↑+4H2O+2LiCl C 2CoC2O4+O22CaO+ 4CO2 0.02 加入適量鹽酸(或通入適量氯化氫氣體) (4). 因單質(zhì)碳不溶于堿、鹽酸和水,所以濾渣的主要成分是單質(zhì)碳,故答案為:C; (5).設(shè)有1molCoC2O4·2H2O受熱分解,由題中信息可知,在300~350℃時,固體失重率為59.02%,所以固體的殘留率為40.98%,質(zhì)量為75g,因為1molCo全部留在固體中,所以O(shè)的質(zhì)量為16g,Co和O的原子個數(shù)比為1:1,固體產(chǎn)物為CoO,已知氣體產(chǎn)物
18、為CO2,根據(jù)得失電子守恒和原子守恒,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為:2CoC2O4+O22CaO+ 4CO2; (6). 將濃度為0.02mol·L-1的Li2SO4和濃度為0.02 mol·L-1的Na2CO3溶液等體積混合,溶液體積變?yōu)樵瓉淼?倍,Qc=c(Li+)2×c(CO32-)=(0.02mol/L)2×0.01mol/L=4×10-6<Ksp,所以兩溶液混合后不產(chǎn)生沉淀,Li+的濃度為0.02mol/L; (7). 加熱蒸發(fā)FeCl3溶液得FeCl3·6H2O固體時,會促進Fe3+的水解,最終得到Fe(OH)3固體,因此在加熱蒸發(fā)FeCl3溶液時,要加入適量的鹽酸(或通入適量氯化氫氣
19、體)抑制Fe3+的水解。 (4)鋅錳電池處理 典例5鋅錳電池(俗稱干電池)在生活中的用量很大。兩種鋅錳電池的構(gòu)造圖如圖(a)所示。 回答下列問題: (1)普通鋅錳電池放電時發(fā)生的主要反應(yīng)為:Zn+2NH4Cl+2MnO2==Zn(NH3)2Cl2+2MnOOH ①該電池中,負(fù)極材料主要是________,電解質(zhì)的主要成分是________,正極發(fā)生的主要反應(yīng)是 __________________________。 ②與普通鋅錳電池相比,堿性鋅錳電池的優(yōu)點有_____________________。(任寫一條) (2)圖(b)表示回收利用廢舊普通鋅錳電池的一種工藝(不考慮
20、廢舊電池中實際存在的少量其他金屬)。 圖(b)中產(chǎn)物的化學(xué)式分別為A_________________,B______________________。 (3)①操作a中得到熔塊的主要成分是K2MnO4。操作b中,綠色的K2MnO4溶液反應(yīng)后生成紫色溶液D和一種黑褐色固體C,該反應(yīng)的離子方程式為_________________________。 ②采用惰性電極電解K2MnO4溶液也能得到化合物D,則陰極處得到的主要物質(zhì)是________。(填化學(xué)式) 【答案】ZnNH4ClMnO2+NH+e-===MnOOH+NH3堿性電池比能量高;可儲存時間長;或堿性電池使用壽命長(因為金屬材
21、料在堿性電解質(zhì)比在酸性電解質(zhì)的穩(wěn)定性好);堿性電池不容易發(fā)生電解質(zhì)溶液泄漏(因為消耗的負(fù)極改裝在電池的內(nèi)部)ZnCl2NH4Cl3MnO+2CO2===2MnO+MnO2↓+2COH2 【解析】 (3)①綠色的K2MnO4溶液發(fā)生反應(yīng)后生成紫色的高錳酸鉀溶液和黑褐色的二氧化錳,該反應(yīng)的離子方程式為3MnO42-+2CO2=2MnO4-+MnO2↓+2CO32-; ②采用惰性電極電解K2MnO4溶液生成高錳酸鉀發(fā)生氧化反應(yīng),則陰極發(fā)生還原反應(yīng),溶液中的氫離子得電子生成氫氣。 5、鎳電池處理 案例6(2018屆重慶市第一中學(xué)高三下學(xué)期第一次月考)廢舊電池若不進行回收利用,將對水體產(chǎn)生嚴(yán)
22、重污染。某興趣小組對廢舊鎳電池正極材料[由Ni(OH)2、碳粉、Fe2O3等涂覆在鋁箔上制成]進行回收研究,設(shè)計實驗流程如下圖所示: 已知:①NiCl2?易溶于水,F(xiàn)e3+不能氧化Ni2+,Cl2能氧化Ni2+為Ni3+; ②NiO+2HCl=NiCl2+H2O; ③Fe3+、Al3+、Ni3+以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH?如下表所示: 離子 Fe3+ Al3+ Ni2+ 開始沉淀時的pH 1.5 3.5 7.0 完全沉淀時的pH 3.2 4.8 9.0 ④Ksp[Ni(OH)2]=5.0×10-16,Ksp(NiC2O4)=4.0×10-10。 請回答
23、下列問題: (1)?酸溶后所留殘渣的主要成份__________(填物質(zhì)名稱)。 (2)步驟X的操作為用NiO調(diào)節(jié)溶液pH,首先析出的沉淀Ⅰ是__________(填化學(xué)式),調(diào)節(jié)過程中pH不能低于___________。 (3)已知溶解度:?NiC2O4>NiC2O4·H2O>NiC2O4·2H2O?,則加入Na2C2O4溶液后析出的沉淀是__________。 (4)寫出生成沉淀Ⅲ的離子方程式__________,該反應(yīng)的平衡常數(shù)為__________。 (5)用化學(xué)反應(yīng)方程式表示沉淀Ⅲ轉(zhuǎn)化為Ni(OH)3________________________。 (6)?過濾③后如何
24、檢驗Ni(OH)3已洗滌干凈____________________________。 【答案】 碳粉 Fe(OH)3 4.8 NiC2O4·2H2O NiC2O4+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-?(2分)(或 NiC2O4·2H2O+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-+2H2O) 8.0×105 Cl2+2Ni(OH)2+2NaOH=2Ni(OH)3+2NaCl 取少量最后一次洗滌液于試管中,加入硝酸酸化的AgNO3溶液,若不產(chǎn)生白色沉淀,證明沉淀已洗滌干凈 (3)已知溶解度:NiC2O4>NiC2O4·H2O>NiC2O4·2H2O,則加入Na2C2O4溶
25、液后析出的沉淀是NiC2O4·2H2O;正確答案:NiC2O4·2H2O。 (4)②過濾得到晶體NiC2O4·2H2O,在堿性環(huán)境下發(fā)生復(fù)分解反應(yīng),生成Ni(OH)2,生成沉淀Ⅲ的離子方程式NiC2O4·2H2O+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-+2H2O;或NiC2O4+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-; 該反應(yīng)的平衡常數(shù)為c(C2O42-)/c2(OH-)= c(C2O42-)×c(Ni 2+)/ c2(OH-)×c(Ni 2+)=Ksp(NiC2O4)/ Ksp[Ni(OH)2]= 4.0×10-10/5.0×10-16=8.0×105;正確答案:NiC2O4+2OH-=
26、Ni(OH)2+C2O42-(或 NiC2O4·2H2O+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-+2H2O) ; 8.0×105 。 (5)濾液①為與的混合液,電解該混合液時,陽極發(fā)生反應(yīng);氯氣在堿性環(huán)境下氧化Ni(OH)2生成Ni(OH)3,化學(xué)反應(yīng)方程式為:Cl2+2Ni(OH)2+2NaOH=2Ni(OH)3+2NaCl ;正確答案:Cl2+2Ni(OH)2+2NaOH=2Ni(OH)3+2NaCl。 (6)?該反應(yīng)Cl2+2Ni(OH)2+2NaOH=2Ni(OH)3+2NaCl發(fā)生后,得到Ni(OH)3沉淀和氯化鈉溶液,檢驗Ni(OH)3已洗滌干凈的方法就是要檢驗氯離子是否存在;正確答案:取少量最后一次洗滌液于試管中,加入硝酸酸化的AgNO3溶液,若不產(chǎn)生白色沉淀,證明沉淀已洗滌干凈。
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