Question

随着能源问题的进一步突出，利用热化学循环制氢的研究受到许多发达国家的青睐．最近的研究发现，复合氧化物酸锰（MnFe₂O₄）也可用于热化学循环分解水制氢，MnFe₂O₄的制备流程如下：

（1）原料Fe（NO₃）_n中n=

3

，投入原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的物质的量之比应为

2：1

．
（2）步骤二中“连续搅拌”的目的是

充分反应或沉淀完全

；步骤三中洗涤干净的标准是

洗涤至流出液呈中性

．
（3）利用MnFe₂O₄热化学循环制氢的反应可表示为：MnFe₂O₄

＞1000K

MnFe₂O_4-x+

x

2

O₂↑    MnFe₂O_4-x+xH₂O→MnFe₂O₄+xH₂↑
请认真分析上述两个反应并回答下列问题：
①若MnFe₂O_4-x中X=0.8，则MnFe₂O_4-x中Fe²⁺占全部铁元素的百分率为

80%

．
②该热化学循环制氢的优点有（答两点即可）

过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题等

．

Answer 1

分析：（1）根据MnFe₂O₄的制备流程，可知Mn、Fe的化合价未变，Mn（NO₃）₂中Mn的化合价为+2，则MnFe₂O₄中Fe的化合价为+3，从而求出Fe（NO₃）_n中的n，
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的个数之比为1：2，根据质量守恒，求出原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的物质的量之比；
（2）连续搅拌是为了让二者充分反应．沉淀可能附着KOH等，洗涤至中性保证产物纯净．
（3）①根据化合价代数和为0，计算MnFe₂O_4-x中铁的总价态，1mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺、Fe³⁺物质的量分别为xmol、ymol，列方程组解答． 
②由流程可看出其优点，过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题．

解答：解：（1）Mn为+2价，令MnFe₂O₄中Fe的化合价为a价，根据化合价代数和为0，则2+2a+4×（-2）=0，解得a=+3，则Fe（NO₃）_n中n=3．
由MnFe₂O₄组成可知：Fe和Mn的个数之比为1：2，根据质量守恒可知，Fe（NO₃）_n与Mn（NO₃）₂ 二者之比 2：1．
故答案为：3；2：1；    
（2）连续搅拌是为了让二者充分反应．沉淀可能附着KOH等，洗涤至中性，说明洗涤干净，保证产物纯净．
故答案为：充分反应或沉淀完全；洗涤至流出液呈中性．
（3）①x=0.8时，铁的总价态为（4-0.8）×2-2=4.4，设1mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺、Fe³⁺物质的量分别为xmol、ymol，则有x+y=2，2x+3y=4.4，联立解得：x=1.6，y=0.4，
则1mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺的物质的量为1.6mol，则Fe²⁺占的百分率为

1.6mol

2mol

×100%=80%．
故答案为：80%；
②由流程图可以看出过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题等．
故答案为：过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题等．

点评：以MnFe₂O₄的制备为载体，考查学生对工艺流程的理解、对实验操作的理解、化学式有关计算等，难度中等，综合性较强，涉及的知识点多，需要学生具备阅读分析能力和灵活运用知识的解决问题能力．