сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word

Но­бе­лев­ская пре­мия по химии за 2019 год была при­суж­де­на Джону Гу­де­на­фу, Стэн­ли Уит­тин­ге­му и Акире Йо­ши­но (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino) за раз­ви­тие химии литий-ион­ных ба­та­рей (ак­ку­му­ля­то­ров). Литий-ион­ные ба­та­реи сыг­ра­ли важ­ную роль в раз­ви­тии вы­со­ких тех­но­ло­гий. «Эти лёгкие, пе­ре­за­ря­жа­е­мые и мощ­ные ба­та­реи ис­поль­зу­ют­ся сей­час везде, на­чи­ная от мо­биль­ных те­ле­фо­нов и но­ут­бу­ков, также в элек­тро­ав­то­мо­би­лях. Они могут со­хра­нять зна­чи­тель­ное ко­ли­че­ство энер­гии из воз­об­нов­ля­е­мых ис­точ­ни­ков от солн­ца и ветра»,  — за­явил Но­бе­лев­ский ко­ми­тет. В Но­бе­лев­ской лек­ции среди дру­гих фи­гу­ри­ро­ва­ли три ве­ще­ства, ис­поль­зу­е­мые в литий-ион­ных ак­ку­му­ля­то­рах: LiMn_2$O_4$ и ещё два, ко­то­рые син­те­зи­ро­вал один из ла­у­ре­а­тов (Джон Гу­де­наф). Рас­смот­рим син­тез ок­си­да лития-мар­ган­ца и про­цес­сы, ко­то­рые про­ис­хо­дят в устрой­стве:

2Li_2$CO_3$ плюс 8MnO_2$ = 4LiMn_2$O_4$ плюс 2CO_2$ плюс O_2$;

\beginarrayr|l новая стро­ка \rm LiMn_2$O_4$ = 2MnO_2$ плюс \bar e$ плюс Li в сте­пе­ни п люс $ новая стро­ка \rm Li в сте­пе­ни п люс $ плюс \bar e$ плюс 6C = LiC_6$. \endarray

В ходе пер­во­го про­цес­са в ре­зуль­та­те окис­ле­ния мар­ган­ца элек­тро­ны пе­ре­хо­дят в гра­фи­то­вый анод, ге­не­ри­ру­ет­ся элек­три­че­ский ток.

Два дру­гих ве­ще­ства со­дер­жат ко­бальт и же­ле­зо. Можно пред­ло­жить сле­ду­ю­щие урав­не­ния ре­ак­ций их по­лу­че­ния:

Li_2$CO_3$ плюс Co плюс O_2$ = A плюс CO_2$ (ре­ак­ция 1);

LiOH плюс Co левая круг­лая скоб­ка O пра­вая круг­лая скоб­ка OH = A плюс H_2$O (ре­ак­ция 2);

LiOH плюс FeSO_4$ умно­жить на $ 7H_2$O плюс H_3$PO_4$ = B плюс Li_2$SO_4$ плюс H_2$O (ре­ак­ция 3).

Урав­не­ния на­пи­са­ны без ко­эф­фи­ци­ен­тов, но в них ука­за­ны все про­дук­ты и ре­а­ген­ты. Эле­мент­ный ана­лиз по­ка­зал, что со­дер­жа­ние ко­баль­та в А  — 60,2 % по массе, а кис­ло­ро­да в В  — 40,5 %.

1)  Опре­де­ли­те ве­ще­ства A, B и на­пи­ши­те урав­не­ния ре­ак­ций их по­лу­че­ния.

2)  Для обо­зна­че­ния B часто ис­поль­зу­ют со­че­та­ние LFP. С чем это свя­за­но?

3)  На­пи­ши­те урав­не­ния ре­ак­ций, опи­сы­ва­ю­щих про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в устрой­ствах на ос­но­ве А и В.

Про­цес­сы ана­ло­гич­ны тем, что про­ис­хо­дят и с ок­си­дом лития-мар­ган­ца.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Если вни­ма­тель­но по­смот­реть на ре­ак­цию 2, можно пред­по­ло­жить, что в со­став А вхо­дит лишь ко­бальт, литий и кис­ло­род  — и это сме­шан­ный оксид. Ско­рее всего, сте­пе­ни окис­ле­ния не ме­ня­ют­ся, т. к. мы не видим про­дук­тов вос­ста­нов­ле­ния/окис­ле­ния. Да, они могут каким-то об­ра­зом ока­зать­ся в со­еди­не­нии, но сна­ча­ла нужно про­ве­рить самый про­стой ва­ри­ант. Под­ста­вим ми­ни­маль­ное ко­ли­че­ство ато­мов каж­до­го эле­мен­та в со­еди­не­ние, учи­ты­вая то, что со­еди­не­ние ней­траль­но (не ра­ди­кал, не ион). По­лу­ча­ет­ся LiCoO_2$, фор­му­ла под­хо­дит по мас­со­вой доле кис­ло­ро­да.

А  — LiCoO_2$

1 пра­вая круг­лая скоб­ка 2Li_2$CO_3$ плюс 4Co плюс 3O_2$ = 4LiCoO_2$ плюс 2CO_2$;

2 пра­вая круг­лая скоб­ка LiOH плюс CoOOH = LiCoO_2$ плюс H_2$O.

Ана­ло­гич­но опре­де­ля­ет­ся и со­еди­не­ние В. Мы по­ни­ма­ем, что фос­фо­ра нет в остав­ших­ся про­дук­тах, и, ско­рее всего, он остал­ся в виде фос­фат ани­о­на. Пред­по­ло­жим, что в ис­ко­мом со­еди­не­нии лишь один фос­фат-анион, тогда по мас­со­вой доле кис­ло­ро­да можно вы­счи­тать мо­ляр­ную массу всего со­еди­не­ния. Вы­чи­тая мо­ляр­ную массу фос­фат-ани­о­на из общей мо­ляр­ной массы по­лу­ча­ем, что в со­еди­не­нии так же на­хо­дит­ся один атом лития и один атом же­ле­за.

В  — LiFePO_4$

3 пра­вая круг­лая скоб­ка 3LiOH плюс FeSO_4$ умно­жить на $ 7H_2$O плюс H_3$PO_4$ = LiFePO_4$ плюс Li_2$SO_4$ плюс 10H_2$O.

LiFePO_4$ по-ан­глий­ски  — lithium ferrophosphate. LFP  — аб­бре­ви­а­ту­ра.

Про­цес­сы, про­хо­дя­щие в ак­ку­му­ля­то­рах:

LiCoO_2$ = CoO_2$ плюс \bar e$ плюс Li в сте­пе­ни п люс $;

Li в сте­пе­ни п люс $ плюс \bar e$ плюс C_6$ = LiC_6$;

LiFePO_4$ = FePO_4$ плюс \bar e$ плюс Li в сте­пе­ни п люс $;

Li в сте­пе­ни п люс $ плюс \bar e$ плюс C_6$ = LiC_6$.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

ПунктБаллы
1. За опре­де­ле­ние A, B — 2 балла за каж­дое

За ре­ак­ции 1−3 — 2 балла за каж­дую

10
2. За пра­виль­ный ответ – 2 балла2
3. За каж­дую пра­виль­ную груп­пу ре­ак­ций — 4 балла

(Если ре­ак­ции с уг­ле­ро­дом не на­пи­са­ны, ста­вит­ся пол­ный балл)

8
ИТОГО:20