Question

19．高纯度锰酸锂（LiMn₂O₄）是锂电池重要的正极材料．
（1）工业上有一种制取高纯度锰酸锂的方法如下：
①由硫酸锰与K₂S₂O₈溶液常温下混合一周，慢慢得到球形二氧化锰（MnO₂）．请写出发生的化学反应方程式：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄．
②过滤、干燥得到球形二氧化锰，再与氢氧化锂750℃共热5h，得到锰酸锂．请写出发生的化学反应方程式：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑．
（2）氢氧化锂容易与二氧化碳反应，工业上常用碳酸锂代替．
把分析纯碳酸锂与电解二氧化锰两种粉末，按物质的量1：4混合均匀加热．
①升温到515℃时，开始有CO₂产生，同时生成固体A，比预计碳酸锂的分解温度（723℃）低很多．原因是二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解．
②升温到566℃时，产生另一种气体X，X恰好与CO₂物质的量相等，同时得到固体B．请写出发生的化学反应方程式：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑．
③升温到720℃时，A、B反应，固体质量逐渐增加，当质量不再增加时，得到高纯度的锰酸锂．请写出发生的化学反应方程式：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄．

Answer 1

分析 （1）①硫酸锰与K₂S₂O₈溶液反应得到二氧化锰（MnO₂），Mn元素化合价降低，硫元素被氧化生成硫酸钾、硫酸；
②二氧化锰与氢氧化锂750℃共热5h，得到锰酸锂，Mn元素化合价降低，只能是氧元素化合价升高得到氧气，同时生成水；
（2）假设碳酸锂为1mol，二氧化锰为4mol，升温到515℃时，开始有CO₂产生，同时生成固体A，应是碳酸锂分解得到二氧化碳与氧化锂，固体A为Li₂O，二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解，根据原子守恒可知生成CO₂为1mol、Li₂O为1mol，继续升温到566℃时，产生另一种气体X，同时得到固体B，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，则反应恰好进行，生成物唯一固体就是锰酸锂（LiMn₂O₄），根据元素守恒可知，B应含有Mn元素，故升温到566℃时应是二氧化锰分解，生成气体X为O₂，X恰好与CO₂物质的量相等，则氧气的物质的量为1mol，故固体B中Mn、O原子数目之比为4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，则B为Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物质的量为2mol，720℃时1molLi₂O、2molMn₂O₃反应得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂参与反应．

解答 解：（1）①硫酸锰与K₂S₂O₈溶液反应得到二氧化锰（MnO₂），Mn元素化合价降低，硫元素被氧化生成硫酸钾、硫酸，反应方程式为：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄，
故答案为：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄；
②二氧化锰与氢氧化锂750℃共热5h，得到锰酸锂，Mn元素化合价降低，只能是氧元素化合价升高得到氧气，同时生成水，反应方程式为：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑，
故答案为：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑；
（2）假设碳酸锂为1mol，二氧化锰为4mol，升温到515℃时，开始有CO₂产生，同时生成固体A，应是碳酸锂分解得到二氧化碳与氧化锂，固体A为Li₂O，二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解，根据原子守恒可知生成CO₂为1mol、Li₂O为1mol，继续升温到566℃时，产生另一种气体X，同时得到固体B，升温到720℃时，A、B反应，固体质量逐渐增加，当质量不再增加时，得到高纯度的锰酸锂，则反应恰好进行，生成物唯一固体就是锰酸锂（LiMn₂O₄），根据元素守恒可知，B应含有Mn元素，故升温到566℃时应是二氧化锰分解，生成气体X为O₂，X恰好与CO₂物质的量相等，则氧气的物质的量为1mol，故固体B中Mn、O原子数目之比为4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，则B为Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物质的量为2mol，720℃时1molLi₂O、2molMn₂O₃反应得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂参与反应．
①升温到515℃时，开始有CO₂产生，同时生成固体A，由于二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解，比预计碳酸锂的分解温度（723℃）低很多，
故答案为：二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解；
②由上述分析可知，升温到566℃时，发生的化学反应方程式为：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑，
故答案为：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑；
③由上述分析可知，升温到720℃时，发生的化学反应方程式为：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄，
故答案为：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄．

点评 本题以“高纯度”为要求，从化学的角度获取定性定量信息，得出以前没有得出过的结论，较隐蔽地考查学生利用知识推理、创造性的思维，难度中等．