Question

12．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，复合氧化物铁酸锰（MnFe₂O₄）也可以用于热化学循环分解水制氢，MnFe₂O₄的制备流程如下：（提示：锰元素在本题所有过程中价态均不变）．
（1）推断原料Fe（NO₃）_n中n=3．
（2）步骤二中“连续搅拌”的目的是充分反应或沉淀完全；写出本步骤涉及所有反应的离子方程式：Fe³⁺+3OH^-=2Fe（OH）₃↓；Mn²⁺+2OH^-=Mn（OH）₂↓．
（3）说明步骤三中洗涤干净的标准：取最后一次洗涤液少许，测洗下来的溶液呈中性．
（4）利用MnFe₂O₄热化学循环制氢的反应可表示为：
MnFe₂O₄$\stackrel{＞1000K}{→}$MnFe₂O_4-x+$\frac{x}{2}$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=0.6，计算MnFe₂O_4-x中Fe³⁺占全部铁元素的百分率=40%．
②该热化学循环制氢法的优点（答两点即可）：具有过程简单节约能源无污染物料廉价、可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，因此不存在高温气体分离等优点．
③该热化学循环法制氢尚有不足之处，指出需要进一步改进的研究方向：寻找合适催化剂使MnFe₂O₄的分解温度降低或找到分解温度更低的氧化物（答一点即可）．

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；
（2）根据搅拌的通常目的和判断沉淀是否洗涤干净的方法来解答，Fe³⁺和Mn²⁺在碱性条件下生成沉淀；
（3）原先溶液呈碱性；
（4）①根据铁的总价态不变，用方程组来解决；
②③由流程可看出其优点，改进方法可从流程简洁方面考虑．

解答 解：（1）Mn为+2价，则MnFe₂O₄中Fe的化合价为+3价，则Fe（NO₃）_n中n=3，且Fe（NO₃）_n与Mn（NO₃）₂ 二者之比 2：1，故答案为：3；
（2）连续搅拌是为了让二者充分反应，Fe³⁺和Mn²⁺在碱性条件下生成沉淀，离子方程式：Fe³⁺+3OH^-=2Fe（OH）₃↓；Mn²⁺+2OH^-=Mn（OH）₂↓，故答案为：充分反应或沉淀完全；Fe³⁺+3OH^-=2Fe（OH）₃↓；Mn²⁺+2OH^-=Mn（OH）₂↓；
（3）原先溶液呈碱性，取最后一次洗涤液少许，测洗下来的溶液呈中性，故答案为：取最后一次洗涤液少许，测洗下来的溶液呈中性；
（4）①x=0.6时，铁的总价态为（4-0.6）×2-2=4.8，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=4.8
解得：x=1.2，y=0.8，
则1 mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺的物质的量为1.2 mol，则Fe²⁺占的百分率为$\frac{1.2}{2}$×100%=60%，Fe³⁺占全部铁元素的百分率为40%，故答案为：40%；
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（答两点即可）；
③因高温消耗较多的能源，则寻找合适的催化剂，使MnFe₂O₄分解温度降低或分解温度更低的氧化物，故答案为：寻找合适的催化剂，使MnFe₂O₄分解温度降低或分解温度更低的氧化物．

点评 本题以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．