Question

3．新型鋰電池正極材料錳酸鋰（LiMn₂O₄）有望取代廣泛使用的LiCoO₂．工業(yè)上用某軟錳礦（主要成分為MnO₂，同時(shí)含有少量鐵、鋁及硅等的氧化物）為原料制備錳酸鋰的流程如圖1：

有關(guān)物質(zhì)的溶度積常數(shù)

物質(zhì)	Fe（OH）2	Fe（OH）3	Al（OH）3	Mn（OH）2
Ksp	8.0×10-16	4.0×l0-38	4.5×10-33	1.9×l0-13

（1）已知，鋰電池放電正極的電極反應(yīng)為：LiMn₂O₄+e^-+Li⁺═Li₂Mn₂O₄，則鋰電池正極材料錳酸鋰中，錳元素的化合價(jià)為+3、+4．
（2）流程中，F(xiàn)eSO₄的作用是作還原劑，還原MnO₂，MnO的作用是調(diào)節(jié)濾液的pH，除去Fe³⁺和Al³⁺，當(dāng)濾液中的pH為6時(shí)，濾液中所含鋁離子的濃度為4.5×10^-9mol•L^-1．
（3）采用圖2裝置電解，離子交換膜將電解池分隔為陽(yáng)極室和陰極室，兩室的溶液分別為硫酸鈉溶液和制得的硫酸錳溶液，則陰極室中的溶液為硫酸鈉溶液；電解產(chǎn)生的MnO₂沉積在電極上，該電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．
（4）若將上述裝置中的硫酸鈉溶液換為軟錳礦的礦漿，并加入適量的硫酸鐵及硫酸，可一次性完成軟錳礦的浸出反應(yīng)與電解沉積MnO₂反應(yīng)，電解時(shí)，F(xiàn)e³⁺先放電生成Fe²⁺，產(chǎn)生的Fe²⁺再與礦漿中的 MnO₂反應(yīng)，周而復(fù)始，直至礦漿中的MnO₂完全浸出．則Fe²⁺與礦漿中MnO₂反應(yīng)的離子方程式為2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O．
（5）寫(xiě)出高溫煅燒生成錳酸鋰的化學(xué)方程式8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．

Answer 1

分析 用某軟錳礦（主要成分為MnO₂，同時(shí)含有少量鐵、鋁及硅等的氧化物）為原料制備錳酸鋰的流程：加入FeSO₄、H₂SO₄，二氧化硅不溶，過(guò)濾得到含有Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Al³⁺的溶液，加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子，再加入MnO調(diào)節(jié)pH，將鐵離子、鋁離子沉淀，得到硫酸錳的溶液，電解沉積得到二氧化錳，再與碳酸鋰固體高溫下反應(yīng)得到產(chǎn)品，據(jù)此分析解答．

解答 解：（1）鋰電池放電正極的電極反應(yīng)為：LiMn₂O₄+e^-+Li⁺═Li₂Mn₂O₄，Li₂Mn₂O₄中錳元素+3價(jià)，則LiMn₂O₄中錳元素有+4價(jià)，但只有一個(gè)錳原子得電子，另一個(gè)錳原子未得電子變價(jià)，也為+4價(jià)，則鋰電池正極材料錳酸鋰中，錳元素的化合價(jià)為+3、+4；
故答案為：+3、+4；
（2）流程中，某軟錳礦（主要成分為MnO₂，同時(shí)含有少量鐵、鋁及硅等的氧化物），F(xiàn)eSO₄有還原性，加入FeSO₄的作用是與二氧化錳反應(yīng)，使錳離子進(jìn)入溶液；
加入MnO調(diào)節(jié)pH，將鐵離子、鋁離子沉淀，得到硫酸錳的溶液；
已知的Al（OH）₃Ksp為4.5×10^-33，當(dāng)濾液中的pH為6時(shí)，則c（OH^-）=10^-8 mol•L^-1濾液中所含鋁離子的濃度為$\frac{4.5×1{0}^{-33}}{（1{0}^{-8}）^{3}}$=4.5×10^-9 mol•L^-1；
故答案為：作還原劑，還原MnO₂；調(diào)節(jié)濾液的pH，除去Fe³⁺和Al³⁺；4.5×10^-9 mol•L^-1；
（3）離子交換膜將電解池分隔為陽(yáng)極室和陰極室，兩室的溶液分別為硫酸鈉溶液和制得的硫酸錳溶液，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，由流程可知，錳離子生成二氧化錳，反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，則陽(yáng)極室為硫酸錳溶液，陰極室為硫酸鈉溶液；
故答案為：硫酸鈉溶液；Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（4）Fe²⁺與礦漿中MnO₂反應(yīng)的離子方程式為：2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；
故答案為：2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；
（5）高溫煅燒生成錳酸鋰，錳元素化合價(jià)降低，則氧元素升價(jià)到0價(jià)，化學(xué)方程式為：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑；
故答案為：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的制備實(shí)驗(yàn)及混合物的分離和提純，為高頻考點(diǎn)，把握流程圖中每一步發(fā)生的反應(yīng)及操作方法是解本題關(guān)鍵，注意結(jié)合題給信息解答，側(cè)重分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，題目難度中等．