主族金属锂及其化合物解析版.docx

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主族金属锂及其化合物解析版

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

【答案】C

【解析】从方程式中看出Li的化合价升高，LixC6作负极，Li1-xCOO2做正极。

放电时电子从负极流向正极，故从A极通过导线流向B极，故A正确；LixC6作负极，故B正确；放电时阳离子移向正极，Li+从左向右定向迁移，故C错误；钴酸锂电池可以充电为二次电池，故D正确。

【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

【答案】D

【解析】A、电时负极与阴极相连，将电池的负极与外接电源的负极相连，A正确；B、充电时，电池的负极和阴极相连，发生得电子的还原反应，B正确；C、放电时，电池的正极发生得电子的还原反应，C正确；D、放电时，负极上失电子，正极上得电子，所以电子从负极沿导线流向正极，所以正极上附有大量电子，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，D错误，答案选D。

【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

【答案】B

【解析】A.原电池放电时，电解质中阳离子移向正极，即Li+脱离石墨，每有NA个电子转移，就有1molLi+脱离石墨，经电解质嵌入正极，A正确；B.该原电池中，负极反应式为LixC6-xe-=6C+xLi+，正极反应式为Li1-xFeO4+xLi++xe-=LiFePO4，所以隔膜为阳离子交换膜，在反应过程中只允许Li+通过，B错误；C.放电时，正极反应式为Li1-xFeO4+xLi++xe-=LiFePO4，充电时，原电池的正极与外加电源正极相接，电极反应与原电池正极反应相反，即充电时电池正极上发生的反应为LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi+，C正确；D.充电时电子从外电源负极→阴极、阳极→电源正极，即充电时电子从电源经铜箔流入负极材料，D正确。

【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

【答案】A

【解析】放电时，a电极为正极，Mn元素化合价发生变化，锂的化合价不变，A错误；原电池放电时，b电极为负极，a电极为正极，电流的方向为a到b，B正确；原电池放电时，b电极Li失电子，作负极，则a电极为正极，C正确；b电极Li失电子产生Li+，a电极结合Li+，所以溶液中Li+从b向a迁移，D正确；正确选项A。

【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

【答案】D

【解析】A．根据电池工作原理，多孔碳材料吸附O2，O2在此获得电子，所以多孔碳材料电极为电池的正极，故A错误；B．放电时电子从负极（锂电极）流出，通过外电路流向正极（多孔碳材料电极），故B错误；C．Li+带正电荷，放电时，应该向原电池的正极（多孔碳材料电极）迁移，故C错误；D．放电时，负极锂单质被氧化成离子，正极氧气被还原成，电池总反应为2Li+（1-

）O2=Li2O2-x，故D正确；故答案为D。

【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-

【答案】BD

【解析】A．根据电解池中H2O→H2可知，电解池右侧为阴极，与原电池的负极相接，即b电极为原电池的负极，则a电极为原电池的正极，电池放电时为原电池，原电池中，阳离子向正极移动，则Li+向a极移动，故A错误；B．根据分析，a电极为原电池的正极，电极反应式为xLi++xe-+L1-xCoO2═LiCoO2；电池充电时，a电极为电解池的阳极，电极反应式为LiCoO2－xe－=Lil－xCoO2+xLi+，故B正确；C．由于阳极区还发生I2+2OH−=I−+IO−+H2O的反应，反应条件为碱性，阴极反应式为2H2O+2e−=2OH−+H2↑，OH-应通过交换膜M进入阳极区，所以M为阴离子交换膜，故C错误；D．根据图示，苯乙酮与IO−发生氧化还原反应，生成苯甲酸盐和CHI3，苯乙酮被氧化，IO−被还原，根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒，反应为

+3IO−→

+CHI3+2OH-，故D正确；答案选BD。

【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”）。

【答案】LiOH2Cl--2e-=Cl2↑B

【解析】电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液，由图可知，右侧生成氢气，则B中氢离子放电，可知B为阴极，在B中制备LiOH，B极区电解液为LiOH溶液；Li+由A经过阳离子交换膜向B移动；A中为LiCl溶液，氯离子放电生成氯气，则阳极反应式为2Cl--2e-=Cl2↑，故答案为LiOH；2Cl--2e-=Cl2↑；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____________。

【答案】

（1）2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑

（2）2LiCoO2+3H2SO4+H2O2=Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O

2CoO22++2Cl-+8H+=2Co2++Cl2↑+4H2O

（3）CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3↓+（NH4）2SO4+CO2↑+H2O（4）LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+

（5）Al（OH）3、Li2SO4、CoCO3（或CoSO4）；（6）O2+e-+Li+=LiO2

【解析】

（1）正极中含有铝，铝易溶于强碱溶液生成AlO2-，反应的离子方程式为2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑；

（2）酸浸时反应物有硫酸、过氧化氢以及LiCoO2，生成物有Li2SO4和CoSO4，反应方程式为：

2LiCoO2+H2O2+3H2SO4=Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O，由题中信息知LiCoO2具有强氧化性，如果可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合溶液，LiCoO2能够将盐酸氧化生成氯气，2CoO22++2Cl-+8H+=2Co2++Cl2↑+4H2O；（3）“沉钴”过程中硫酸钴和碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀、硫酸铵、二氧化碳和水，反应方程式为CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3↓+（NH4）2SO4+CO2↑+H2O；（4）充电过程中，正极的电极反应LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+；

（5）放电时，负极上生成锂离子，锂离子向正极移动并进入正极材料中，所以“放电处理”有利于锂在正极的回收，根据流程图知，可回收到的金属化合物有Al（OH）3、CoCO3、Li2SO4；（6）锂—空气电池，正极氧气得到电子，电极反应为O2+e-+Li+=LiO2。

【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：

____________________________________

。

【答案】

（1）Li2O＋2H+＝2Li+＋H2O

（2）若NaOH过量，Al（OH）3溶解生成NaAlO2（3）静置，取上层清液滴加KSCN溶液，溶液不显红色则铁元素已完全除去（4）Na2CO3＋Li2SO4＝Li2CO3↓＋Na2SO4、（5）用洁净的铁丝（或铂丝）蘸取碳酸锂样品于酒精灯外焰上灼烧，若火焰呈黄色则含Na2CO3，反之则不含。

【解析】

（1）Li2O为碱性氧化物，与酸反应生成盐和水，发生反应的离子方程式：

Li2O＋2H+＝2Li+＋H2O；

（2）“除杂”是为了将Fe3+和Al3+转化为Fe（OH）3和Al（OH）3除去，而Al（OH）3会溶于过量的碱，所用NaOH溶液不能过量，原因是氢氧化铝会与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，会引入新的杂质；（3）“除杂”时检验铁元素已完全除去的方法是静置，取上层清液滴加KSCN溶液，溶液不显红色，则铁元素已完全除去；（4）蒸发浓缩得到碳酸锂溶液，加入饱和的碳酸钠溶液发生的反应是Na2CO3＋Li2SO4＝Li2CO3↓＋Na2SO4；（5）碳酸锂中可能含有碳酸钠，检验的方法是焰色反应，具体是用洁净的铁丝（或铂丝）蘸取碳酸锂样品于酒精灯外焰上灼烧，若火焰呈黄色则含Na2CO3，反之则不含。

【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。

【答案】

（1）第二周期ⅠA族锂与镁在元素周期表中位置属于对角线关系，同主族金属性钠大于锂，同周期金属性钠大于镁，锂和镁金属性相似，则化学性质相似

（2）

：

和

核外电子数相同，核内质子数

大于

，其原子核对核外电子的吸引力大，因此离子半径小于

（3）32p（4）①

②蒸发浓缩、冷却至

左右结晶

【解析】

（1）锂的原子序数为3，位于元素周期表第二周期ⅠA族；锂与镁在元素周期表中位置属于对角线关系，同主族金属性钠大于锂，同周期金属性钠大于镁，锂和镁金属性相似，以此化学性质相似；

（2）氢化锂是由Li+和H—组成的离子化合物，H—的电子式

；Li+和H—的电子层结构相同，核外电子数相同，核电荷数越大，其原子核对核外电子的吸引力大，因此Li+离子半径小于H—；Li+和H—的核外电子数相同，核内质子数Li+大于H—，其原子核对核外电子的吸引力大，因此Li+离子半径小于H—；（3）碳原子的核外电子排布式为1s22s22p2，所以有3种能量不同的电子，纺锤形轨道p上有2个电子，所以有2个纺锤形轨道；（4）①Br2、Li2CO3和NH3·H2O反应生成的两种参与大气循环的气体应为N2和CO2,根据得失电子守恒、原子守恒配平化学方程式3Br2+3Li2CO3+2NH3·H2O=6LiBr+N2↑+3CO2↑+5H2O；②由题图可知，当低于44℃结晶时要得到LiBr·2H2O，若要制得LiBr·H2O，需将温度冷却到44℃结晶、44℃过滤、乙醇洗涤（LiBr·H2O易溶于水，选用乙醇洗涤可以减少洗涤过程中因溶解造成的损失）、干燥，故答案为蒸发浓缩、冷却至44℃结晶。

【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__________。

【答案】

（1）盐酸Li＋＋e－=Li

（2）金属锂在CO2仍可燃烧（3）分别取样品进行焰色反应，锂盐焰色为深红色，钠盐焰色为黄色，钾盐焰色为紫色（透过蓝色钴玻璃）（4）LiF

【解析】

（1）碳酸锂制备氯化锂，利用碳酸锂的性质与碳酸镁的性质相似，因此碳酸锂与盐酸反应制备氯化锂，根据电解原理，阴极上发生还原反应，得到电子，电极反应式为Li＋＋e－=Li；

（2）根据元素周期表中对角线原则，Li和Mg的性质相似，Mg能在CO2中燃烧，Mg与CO2反应生成MgO和C，因此锂也能与CO2反应，因此不能用CO2灭火；（3）阳离子不同，阳离子属于碱金属元素，因此采用焰色反应进行鉴别，分别取样品进行焰色反应，锂盐焰色为深红色，钠盐焰色为黄色，钾盐焰色为紫色（透过蓝色钴玻璃）；LiPF6中Li显＋1价，P显＋5价，F显－1价，PF5中P显＋5价，F显－1价，因此LiPF6分解不属于氧化还原反应，根据元素守恒，另一种产物中含有Li，即另一种产物是LiF。

【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

【答案】

（1）Li2O·Al2O3·4SiO2

（2）除去反应Ⅰ中过量的H2SO4；控制pH，使Fe3＋、Al3＋完全沉淀

（3）第一次浓度过大会使部分Li+沉淀；第二次浓度大则有利于Li2CO3沉淀的生成

（4）热水,Li2CO3在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li2CO3的损耗

（5）加热蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量水解生成LiOH，受热分解生成Li2O，电解时产生O2

（6）A

【解析】

（1）硅酸盐既可以用盐的形式表示，也可以用氧化物的形式表示。

在用氧化物形式表示时要符合质量守恒定律。

且一般情况下，金属氧化物写在前面，非金属氧化物写在后面。

则LiAlSi2O6的氧化物的形式表示为Li2O·Al2O3·4SiO2。

（2）反应Ⅱ加入碳酸钙是为了除去反应Ⅰ中过量的H2SO4；控制pH，使Fe3＋、Al3＋完全沉淀。

（3）第一次浓度过大会使部分Li+沉淀；第二次浓度大则有利于Li2CO3沉淀的生成，所以流程中两次使用了Na2CO3溶液，第一次浓度小，第二次浓度大。

（4）反应Ⅳ中由于Li2CO3溶解度小，所以生成Li2CO3沉淀，在实验室中从溶液中分离得到Li2CO3沉淀的操作是过滤。

因为Li2CO3的溶解度随温度的升高而降低，所以洗涤所得Li2CO3沉淀要使用热水；理由是Li2CO3在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li2CO3的损耗。

（5）电解熔融氯化锂生产锂时，阳极产生的氯气中会混有少量氧气是因为在加热蒸干LiCl溶液时，LiCl有少量发生水解反应生成LiOH，它受热分解生成Li2O，电解时产生O2。

因此制取的氯气中常含有少量的O2。

（6）A．锂是碱金属，其熔点高于钠，A正确；B．Li和Mg处于对角线位置，根据对角线原则，氢氧化锂应该是弱碱，B错误；C．金属锂的氧化物只有一种Li2O，C错误；D．碱金属中密度最小的是锂，其次是钾，D错误，答案选A。

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