题目内容

【题目】锰酸锂(LiMn2O4)可作为锂离子电池的正极材料，在工业上可利用软锰矿浆(主要成分为MnO2，含少量Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质)吸收含硫烟气(主要成分SO2)制备锰酸锂，生产流程：

已知：①软锰矿浆在吸收含硫烟气的过程中酸性逐渐增强。

②在此流程中部分金属阳离子生成氢氧化物沉淀的pH如表：

沉淀物

Fe(OH)3

Fe(OH)2

Al(OH)3

Mn(OH)2

开始沉淀

2.7

7.6

3.4

7.7

完全沉淀

3.7

9.6

4.7

9.8

(1)含硫烟气在通入软锰矿浆前需要先冷却，冷却的原因是____________________。

(2)滤液1中所含金属阳离子有_____________(填离子符号)。

(3)在实际生产中，Li2CO3与MnO2按物质的量之比1∶4混合均匀加热制取LiMn2O4，反应过程：

①升温到515℃时，Li2CO3开始分解产生CO2和碱性氧化物A，写出A的名称________，此时比预计Li2CO3的分解温度(723℃)低得多，可能原因是_______________；

②升温到566℃时，MnO2开始分解产生另一种气体X，X恰好与①中产生的CO2物质的量相等，同时得到固体B，固体B是______。

③升温到720℃时，第三阶段反应开始，固体质量逐渐增加，当质量不再增加时，得到高纯度的锰酸锂。请写出该阶段反应的化学方程式_________________。

(4)由“滤液1”得到“滤液2”同时回收Al(OH)3的实验方案如下：边搅拌边向滤液1中加入_____________，再加入NaOH溶液调节pH范围为____________，过滤得到滤液2和滤渣，向滤渣中加入NaOH溶液pH≥12，搅拌、过滤，再向所得滤液中通入过量的CO2过滤、洗涤、低温烘干得Al(OH)3。

(5)工业上，将Li2CO3粗品制备成高纯Li2CO3的部分工艺：

a.将Li2CO3溶于盐酸作电解槽的阳极液，LiOH溶液做阴极液，两者用离子选择透过膜隔开，用惰性电极电解。b.电解后向LiOH溶液中加入少量NH4HCO3溶液并共热，过滤、烘干得高纯Li2CO3。

①a中，阳极的电极反应式是__________，宜选用_____(“阳”或“阴”)离子交换膜。

②b中，生成Li2CO3反应的化学方程式是__________________。

【答案】提高含硫烟气中SO2的吸收率 Mn2+、Al3+、Fe2+ 氧化锂 MnO2对Li2CO3分解有催化作用 Mn2O3 2Li2O+4Mn2O34LiMn2O4 足量H2O2 4.7≤pH<7.7 2Cl- -2e-=Cl2↑ 阳 2LiOH+NH4HCO3Li2CO3+2H2O+NH3↑

【解析】

软锰矿浆(主要成分为MnO2，含少量Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2)制备锰酸锂，软锰矿浆通入含二氧化硫的烟气，二氧化硫溶于水生成亚硫酸，Fe2O3、FeO、Al2O3，都能溶于酸，得到相应的离子，同时SO2将得到的Fe3+还原为Fe2+，MnO2与SO2发生氧化还原反应，得到Mn2+，SiO2不溶于酸，滤渣1为SiO2，滤液1含Al3+、Mn2+、Fe2+，由沉淀的pH范围知，Fe2+的沉淀与Mn2+离子的沉淀所需的pH接近，而Fe3+则相差很远，故可以将Fe2+氧化成Fe3+而除杂，搅拌加入氢氧化钠溶液至4.7≤pH<7.7，过滤得到滤液2和固体，向所得固体中加入氢氧化钠溶液至pH≥12，搅拌过滤再向所得滤液中通入二氧化碳过滤洗涤，低温烘干得到Al(OH)3，滤液2中加入氢氧化钠溶液过滤得到Mn(OH)2，一定条件下得到MnO2，Li2CO3与MnO2按物质的量之比为1：4混合均匀加热制取LiMn2O4，据此分析作答。

(1)含硫烟气在通入软锰矿浆前需要先冷却，是由于降低温度可提高含硫烟气中SO2的吸收率；

(2)SO2溶于水得到H2SO3，H2SO3具有酸性，可溶解金属氧化物Fe2O3、FeO、Al2O3，使它们转化为相应的金属阳离子，同时SO2具有还原性，会将得到的Fe3+还原为Fe2+，SO2与MnO2发生氧化还原反应，得到Mn2+，而SiO2是酸性氧化物，不溶于酸，所以滤渣1为SiO2，滤液1含Al3+、Mn2+、Fe2+；

(3)①升温到515℃时，Li2CO3开始分解产生CO2和Li2O，故分解得到的碱性氧化物A的名称是氧化锂；此时比预计Li2CO3的分解温度（723℃）低得多，说明MnO2对Li2CO3的分解有催化剂的作用；

②升温到566℃时，MnO2开始分解产生另一种气体X，根据元素在室温下的存在状态可知X为O2，X恰好与①中产生的CO2物质的量相等，同时得到固体B，1 mol Li2CO3分解产生1 mol CO2气体，4 mol MnO2分解产生1 molO2，则根据元素守恒可知此过程发生的化学反应方程式4MnO22Mn2O3+O2↑，B为Mn2O3；

③升温到720℃时，A、B反应，固体质量逐渐增加，当质量不再增加时，得到高纯度的锰酸锂。该发生的化学反应方程式为：2Li2O+4Mn2O34LiMn2O4；

(4)由于滤液1含Al3+、Mn2+、Fe2+，由于Mn2+、Fe2+形成沉淀的pH比较接近，所以由“滤液1”得到“滤液2”同时回收Al(OH)3的实验方案如下：边搅拌边向滤液1中加入足量H2O2，可以将Fe2+氧化为Fe3+，然后再加入NaOH溶液调节pH，使Al3+转化Al(OH)3沉淀，而Mn2+仍然以离子形式存在于溶液，由于Fe3+完全沉淀的pH=3.7，Al3+完全沉淀的pH=4.7，而Mn2+开始形成Mn(OH)2沉淀的pH=7.7，所以调整溶液pH范围为4.7≤pH<7.7，过滤得到滤液2和滤渣，滤渣中含有Al(OH)3、Fe(OH)3，向滤渣中加入NaOH溶液pH≥12，溶液显碱性，Al(OH)3与碱反应转化为NaAlO2，而Fe(OH)3不溶解，搅拌、过滤，再向所得滤液中通入过量的CO2，NaAlO2与CO2及水反应产生Al(OH)3沉淀，经过滤、洗涤、低温烘干得Al(OH)3；

(5) 根据题给信息可知：

①a中是LiCl溶液，阳极上溶液中的Cl-失去电子，发生氧化反应，电极反应式是2Cl- -2e-=Cl2↑，溶液中阴离子不断放电使阳离子浓度增大，为维持溶液电中性，宜选用阳离子交换膜；

②b中LiOH与NH4HCO3反应生成Li2CO3，反应的化学方程式为：2LiOH+NH4HCO3Li2CO3+2H2O+NH3↑。

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