Question

3．新型锂电池正极材料锰酸锂（LiMn₂O₄）有望取代广泛使用的LiCoO₂．工业上用某软锰矿（主要成分为MnO₂，同时含有少量铁、铝及硅等的氧化物）为原料制备锰酸锂的流程如图1：

有关物质的溶度积常数

物质	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，锂电池放电正极的电极反应为：LiMn₂O₄+e^-+Li⁺═Li₂Mn₂O₄，则锂电池正极材料锰酸锂中，锰元素的化合价为+3、+4．
（2）流程中，FeSO₄的作用是作还原剂，还原MnO₂，MnO的作用是调节滤液的pH，除去Fe³⁺和Al³⁺，当滤液中的pH为6时，滤液中所含铝离子的浓度为4.5×10^-9mol•L^-1．
（3）采用图2装置电解，离子交换膜将电解池分隔为阳极室和阴极室，两室的溶液分别为硫酸钠溶液和制得的硫酸锰溶液，则阴极室中的溶液为硫酸钠溶液；电解产生的MnO₂沉积在电极上，该电极反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．
（4）若将上述装置中的硫酸钠溶液换为软锰矿的矿浆，并加入适量的硫酸铁及硫酸，可一次性完成软锰矿的浸出反应与电解沉积MnO₂反应，电解时，Fe³⁺先放电生成Fe²⁺，产生的Fe²⁺再与矿浆中的 MnO₂反应，周而复始，直至矿浆中的MnO₂完全浸出．则Fe²⁺与矿浆中MnO₂反应的离子方程式为2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O．
（5）写出高温煅烧生成锰酸锂的化学方程式8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．

Answer 1

分析 用某软锰矿（主要成分为MnO₂，同时含有少量铁、铝及硅等的氧化物）为原料制备锰酸锂的流程：加入FeSO₄、H₂SO₄，二氧化硅不溶，过滤得到含有Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Al³⁺的溶液，加入过氧化氢氧化亚铁离子，再加入MnO调节pH，将铁离子、铝离子沉淀，得到硫酸锰的溶液，电解沉积得到二氧化锰，再与碳酸锂固体高温下反应得到产品，据此分析解答．

解答 解：（1）锂电池放电正极的电极反应为：LiMn₂O₄+e^-+Li⁺═Li₂Mn₂O₄，Li₂Mn₂O₄中锰元素+3价，则LiMn₂O₄中锰元素有+4价，但只有一个锰原子得电子，另一个锰原子未得电子变价，也为+4价，则锂电池正极材料锰酸锂中，锰元素的化合价为+3、+4；
故答案为：+3、+4；
（2）流程中，某软锰矿（主要成分为MnO₂，同时含有少量铁、铝及硅等的氧化物），FeSO₄有还原性，加入FeSO₄的作用是与二氧化锰反应，使锰离子进入溶液；
加入MnO调节pH，将铁离子、铝离子沉淀，得到硫酸锰的溶液；
已知的Al（OH）₃Ksp为4.5×10^-33，当滤液中的pH为6时，则c（OH^-）=10^-8 mol•L^-1滤液中所含铝离子的浓度为$\frac{4.5×1{0}^{-33}}{（1{0}^{-8}）^{3}}$=4.5×10^-9 mol•L^-1；
故答案为：作还原剂，还原MnO₂；调节滤液的pH，除去Fe³⁺和Al³⁺；4.5×10^-9 mol•L^-1；
（3）离子交换膜将电解池分隔为阳极室和阴极室，两室的溶液分别为硫酸钠溶液和制得的硫酸锰溶液，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应，由流程可知，锰离子生成二氧化锰，反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，则阳极室为硫酸锰溶液，阴极室为硫酸钠溶液；
故答案为：硫酸钠溶液；Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（4）Fe²⁺与矿浆中MnO₂反应的离子方程式为：2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；
故答案为：2Fe²⁺+MnO₂+44H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；
（5）高温煅烧生成锰酸锂，锰元素化合价降低，则氧元素升价到0价，化学方程式为：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑；
故答案为：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．

点评 本题考查物质的制备实验及混合物的分离和提纯，为高频考点，把握流程图中每一步发生的反应及操作方法是解本题关键，注意结合题给信息解答，侧重分析与实验能力的考查，题目难度中等．