Question

19．高純度錳酸鋰（LiMn₂O₄）是鋰電池重要的正極材料．
（1）工業(yè)上有一種制取高純度錳酸鋰的方法如下：
①由硫酸錳與K₂S₂O₈溶液常溫下混合一周，慢慢得到球形二氧化錳（MnO₂）．請(qǐng)寫(xiě)出發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄．
②過(guò)濾、干燥得到球形二氧化錳，再與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰．請(qǐng)寫(xiě)出發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑．
（2）氫氧化鋰容易與二氧化碳反應(yīng)，工業(yè)上常用碳酸鋰代替．
把分析純碳酸鋰與電解二氧化錳兩種粉末，按物質(zhì)的量1：4混合均勻加熱．
①升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO₂產(chǎn)生，同時(shí)生成固體A，比預(yù)計(jì)碳酸鋰的分解溫度（723℃）低很多．原因是二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解．
②升溫到566℃時(shí)，產(chǎn)生另一種氣體X，X恰好與CO₂物質(zhì)的量相等，同時(shí)得到固體B．請(qǐng)寫(xiě)出發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑．
③升溫到720℃時(shí)，A、B反應(yīng)，固體質(zhì)量逐漸增加，當(dāng)質(zhì)量不再增加時(shí)，得到高純度的錳酸鋰．請(qǐng)寫(xiě)出發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄．

Answer 1

分析 （1）①硫酸錳與K₂S₂O₈溶液反應(yīng)得到二氧化錳（MnO₂），Mn元素化合價(jià)降低，硫元素被氧化生成硫酸鉀、硫酸；
②二氧化錳與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰，Mn元素化合價(jià)降低，只能是氧元素化合價(jià)升高得到氧氣，同時(shí)生成水；
（2）假設(shè)碳酸鋰為1mol，二氧化錳為4mol，升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO₂產(chǎn)生，同時(shí)生成固體A，應(yīng)是碳酸鋰分解得到二氧化碳與氧化鋰，固體A為L(zhǎng)i₂O，二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，根據(jù)原子守恒可知生成CO₂為1mol、Li₂O為1mol，繼續(xù)升溫到566℃時(shí)，產(chǎn)生另一種氣體X，同時(shí)得到固體B，升溫到720℃時(shí)，A、B反應(yīng)，固體質(zhì)量逐漸增加，當(dāng)質(zhì)量不再增加時(shí)，得到高純度的錳酸鋰，則反應(yīng)恰好進(jìn)行，生成物唯一固體就是錳酸鋰（LiMn₂O₄），根據(jù)元素守恒可知，B應(yīng)含有Mn元素，故升溫到566℃時(shí)應(yīng)是二氧化錳分解，生成氣體X為O₂，X恰好與CO₂物質(zhì)的量相等，則氧氣的物質(zhì)的量為1mol，故固體B中Mn、O原子數(shù)目之比為4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，則B為Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物質(zhì)的量為2mol，720℃時(shí)1molLi₂O、2molMn₂O₃反應(yīng)得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂參與反應(yīng)．

解答 解：（1）①硫酸錳與K₂S₂O₈溶液反應(yīng)得到二氧化錳（MnO₂），Mn元素化合價(jià)降低，硫元素被氧化生成硫酸鉀、硫酸，反應(yīng)方程式為：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄，
故答案為：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄；
②二氧化錳與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰，Mn元素化合價(jià)降低，只能是氧元素化合價(jià)升高得到氧氣，同時(shí)生成水，反應(yīng)方程式為：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑，
故答案為：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑；
（2）假設(shè)碳酸鋰為1mol，二氧化錳為4mol，升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO₂產(chǎn)生，同時(shí)生成固體A，應(yīng)是碳酸鋰分解得到二氧化碳與氧化鋰，固體A為L(zhǎng)i₂O，二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，根據(jù)原子守恒可知生成CO₂為1mol、Li₂O為1mol，繼續(xù)升溫到566℃時(shí)，產(chǎn)生另一種氣體X，同時(shí)得到固體B，升溫到720℃時(shí)，A、B反應(yīng)，固體質(zhì)量逐漸增加，當(dāng)質(zhì)量不再增加時(shí)，得到高純度的錳酸鋰，則反應(yīng)恰好進(jìn)行，生成物唯一固體就是錳酸鋰（LiMn₂O₄），根據(jù)元素守恒可知，B應(yīng)含有Mn元素，故升溫到566℃時(shí)應(yīng)是二氧化錳分解，生成氣體X為O₂，X恰好與CO₂物質(zhì)的量相等，則氧氣的物質(zhì)的量為1mol，故固體B中Mn、O原子數(shù)目之比為4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，則B為Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物質(zhì)的量為2mol，720℃時(shí)1molLi₂O、2molMn₂O₃反應(yīng)得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂參與反應(yīng)．
①升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO₂產(chǎn)生，同時(shí)生成固體A，由于二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，比預(yù)計(jì)碳酸鋰的分解溫度（723℃）低很多，
故答案為：二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解；
②由上述分析可知，升溫到566℃時(shí)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑，
故答案為：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑；
③由上述分析可知，升溫到720℃時(shí)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄，
故答案為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄．

點(diǎn)評(píng) 本題以“高純度”為要求，從化學(xué)的角度獲取定性定量信息，得出以前沒(méi)有得出過(guò)的結(jié)論，較隱蔽地考查學(xué)生利用知識(shí)推理、創(chuàng)造性的思維，難度中等．