Lithium được mệnh danh là “vàng trắng” của thế kỷ XXI, là thành phần cốt lõi không thể thay thế

Lithium được mệnh danh là “vàng trắng” của thế kỷ XXI, là thành phần cốt lõi không thể thay thế trong pin lithium – ion của xe điện, điện thoại và các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Trong vỏ Trái Đất, lithium chiếm tỉ lệ rất nhỏ và thường tồn tại tập trung trong các khoáng vật pegmatite như spodumene (LiAlSi₂O₆). Quy trình tách và tinh chế lithium từ quặng đòi hỏi khâu xử lý hoá học phức tạp bằng acid mạnh ở nhiệt độ cao, sinh ra lượng chất thải rắn lớn cần được quản lý nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn môi trường. Một cơ sở tuyển khoáng tiến hành xử lý 10 tấn quặng spodumene chứa 74,4% LiAlSi₂O₆ về khối lượng (còn lại là tạp chất trơ không chứa lithium). Đầu tiên quặng được nung ở 1050°C, sau đó nghiền nhỏ và trộn với dung dịch H₂SO₄ 98% dư, nung ở 250°C để phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được hỗn hợp rắn Li₂SO₄, Al₂(SO₄)₃ và SiO₂. Hòa tan sản phẩm vào nước, tách bỏ phần bã rắn (SiO₂), sau đó dùng Ca(OH)₂ để trung acid dư và loại bỏ ion Al³⁺, tiếp theo dùng Na₂CO₃ để loại bỏ Ca²⁺, cuối cùng thêm Na₂CO₃ đặc ở gần 100°C để kết tinh hoàn toàn Li₂CO₃ dưới dạng sản phẩm thương mại.
a) Viết phương trình hoá học xảy ra giữa quặng spodumene với dung dịch H₂SO₄ đặc. Tại sao công đoạn kết tinh Li₂CO₃ lại cần thực hiện ở nhiệt độ gần 100°C?
b) Tính khối lượng muối Li₂CO₃ thu được từ 10 tấn quặng spodumene ở trên. Biết hiệu suất của toàn bộ quá trình tinh chế đạt 85%.
c) Để trung hòa hoàn toàn lượng acid H₂SO₄ dư và kết tủa hết ion Al³⁺ trong dung dịch sau khi hòa tan (trước giai đoạn thu Li₂CO₃), người ta phải dùng vừa đủ V (m³) dung dịch nước vôi Ca(OH)₂ 0,02 M. Biết lượng dung dịch H₂SO₄ 98% ban đầu được lấy dư 20% so với lượng cần thiết phản ứng. Tính khối lượng (tấn) H₂SO₄ 98% đã dùng và giá trị của V.