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: и ещё два, которые синтезировал один из лауреатов (Джон Гуденаф). Рассмотрим синтез оксида лития-марганца и процессы, которые происходят в устройстве:
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:
(реакция 1);
(реакция 2);
(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.
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 формула подходит по массовой доле кислорода.
А —
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 —
по-английски — lithium ferrophosphate. LFP — аббревиатура.
Процессы, проходящие в аккумуляторах: