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專題52 廢舊電池的處理 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(hù)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PbO，實(shí)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(shí)驗(yàn)方案可證實(shí)上述催化過程。將實(shí)驗(yàn)方案補(bǔ)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：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＋，離子方程式為2Fe3＋+Pb+SO42—==PbSO4+2Fe2＋； 二、考點(diǎn)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(shí)解釋不正確的是 ( ) 選項(xiàng) 現(xiàn)象或事實(shí) 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(qiáng)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(jìn)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(shí)陰極析出物有強(qiáng)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(jià)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(shí)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(diǎn)是___________（答l點(diǎn)即可）。 （3）用廢電池的鋅皮可用于回收制作ZnSO47H2O。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(shí)溶液中c(Fe3+)=_________。繼續(xù)加堿調(diào)節(jié)pH為____時(shí)，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】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(diǎn)即可） 2.610-9 6 ③ 灼燒濾渣l的目的是除去炭粉。 （2）①M(fèi)nOOH與濃鹽酸反應(yīng)生成二氯化錳、氯氣和水，利用化合價(jià)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)生成硫酸錳、二氧化碳和水，利用化合價(jià)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(diǎn)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-)=110-10mol/L，又Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)c3(OH-)=2.610-39，此時(shí)溶液中 c(Fe3+)= 2.610-9mol/L。Ksp[Zn(OH)2]=c(Zn2+)c2(OH-)=10-17，若Zn2+濃度為0.1mol/L，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(dá)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)=1.610－8)和Ksp(PbCO3)=7.410－14 ⑴寫出鉛酸蓄電池放電時(shí)的總反應(yīng)____________________________________________； ⑵廢舊電池的預(yù)處理時(shí)需要將電池放電完全，目的是____________________________； ⑶寫出鉛膏脫硫時(shí)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(diǎn)是________________________________________。 ⑸從Na2SO4溶液中結(jié)晶出Na2SO410H2O晶體的方法是蒸發(fā)濃縮、___________、過濾洗滌，洗滌時(shí)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=2PbSO4+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(shí)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Na2SO410H2O；硫酸鈉難溶于乙醇，用乙醇洗滌晶體可以減少硫酸鈉晶體溶解。 （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(shí)驗(yàn)室嘗試對廢舊鈷酸鋰電池回收再利用。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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__________________________________。 （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CoC2O42H2O固體樣品時(shí)，其固體失重率數(shù)據(jù)見下表，請補(bǔ)充完整表中問題。 已知：①CoC2O4在空氣中加熱時(shí)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 CoC2O42H2OCoC2O4+2H2O 19.67% Ⅱ 300~350 _________________________ 59.02% （6）已知Li2CO3的溶度積常數(shù)Ksp=8.6410-4，將濃度為0.02molL-1的Li2SO4和濃度為0.02 molL-1的Na2CO3溶液等體積混合，則溶液中的Li+濃度為___________molL-1 （7）從FeCl3溶液得到FeCl36H2O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==Al(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1molCoC2O42H2O受熱分解，由題中信息可知，在300~350℃時(shí)，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?yàn)?molCo全部留在固體中，所以O(shè)的質(zhì)量為16g，Co和O的原子個(gè)數(shù)比為1:1，固體產(chǎn)物為CoO，已知?dú)怏w產(chǎn)物為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0.02molL-1的Li2SO4和濃度為0.02 molL-1的Na2CO3溶液等體積混合，溶液體積變?yōu)樵瓉淼?倍，Qc=c(Li+)2c(CO32－)=(0.02mol/L)20.01mol/L=410－6＜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FeCl36H2O固體時(shí)，會促進(jìn)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(shí)，要加入適量的鹽酸（或通入適量氯化氫氣體）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(shí)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(diǎn)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(不考慮廢舊電池中實(shí)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(shí)間長；或堿性電池使用壽命長（因?yàn)榻饘俨牧显趬A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?yàn)橄牡呢?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(jìn)行回收利用，將對水體產(chǎn)生嚴(yán)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(jìn)行回收研究，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)溶液的pH如下表所示： 離子 Fe3+ Al3+ Ni2+ 開始沉淀時(shí)的pH 1.5 3.5 7.0 完全沉淀時(shí)的pH 3.2 4.8 9.0 ④Ksp[Ni(OH)2]=5.010-16，Ksp(NiC2O4)=4.010-10。 請回答下列問題： （1）酸溶后所留殘?jiān)闹饕煞輄_________(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>NiC2O4H2O>NiC2O42H2O，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后如何檢驗(yàn)Ni(OH)3已洗滌干凈____________________________。 【答案】 碳粉 Fe(OH)3 4.8 NiC2O42H2O NiC2O4+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-(2分)(或 NiC2O42H2O+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-+2H2O) 8.0105 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>NiC2O4H2O>NiC2O42H2O，則加入Na2C2O4溶液后析出的沉淀是NiC2O42H2O；正確答案：NiC2O42H2O。 （4）②過濾得到晶體NiC2O42H2O，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NiC2O42H2O+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]= 4.010-10/5.010-16=8.0105；正確答案：NiC2O4+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-(或 NiC2O42H2O+2OH-=Ni(OH)2+C2O42-+2H2O) ； 8.0105 。 （5）濾液①為與的混合液，電解該混合液時(shí)，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(yàn)Ni(OH)3已洗滌干凈的方法就是要檢驗(yàn)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。