Question

15．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制备锰酸锂，生产流程如图1：

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）已知：SO₂的吸收率与温度及烟气流速的关系如图2．为提高含硫烟气中SO₂的吸收率，可以采取的措施
降低通入含硫烟气的温度或减小通入含硫烟气的流速
（2）滤液1中所含金属阳离子有Mn²⁺、Al³⁺、Fe²⁺（填离子符号）．
（3）在实际生产中，在实际生产中，Li₂CO₃与MnO₂按物质的量之比为1：4混合均匀加热制取LiMn₂O₄．
①升温到515℃时，Li₂CO₃开始分解产生CO₂，同时生成固体A，此时比预计Li₂CO₃的分解温度（723℃）低得多，可能原因是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，X恰好与①中产生的CO₂物质的量相等，同时得到固体B．请写出此过程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
（4）请补充完整由“滤液1”得到“滤液2”和Al（OH）₃的实验方案[Al（OH）₃在pH≥12时溶解]：边搅拌边向滤液1中滴加足量过氧化氢，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，低温烘干得到氢氧化铝（实验中须用到的试剂有：NaOH溶液、H₂O₂、CO₂）

Answer 1

分析 软锰矿浆（主要成分为MnO₂，含少量Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、SiO₂制备锰酸锂，在实际生产中，Li₂CO₃与MnO₂按物质的量之比为1：4混合均匀加热制取LiMn₂O₄．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，MnO₂、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、都能溶于酸，二氧化硅不溶盐酸，滤渣1为二氧化硅，滤液1含Al³⁺、Mn²⁺、Fe²⁺，滴加足量过氧化氢，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，低温烘干得到氢氧化铝，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．
（1）图象分析可知随温度升高，二氧化硫的吸收率降低；
（2）烟气中含二氧化硫溶于水生成亚硫酸，溶液显酸性，二氧化硅是酸性氧化物不与亚硫酸反应，氧化铝是两性氢氧化物，氧化铁和氧化亚铁是碱性氧化物，且铁离子具有氧化性把二氧化硫以为硫酸本身被还原为亚铁离子，二氧化锰中+4价锰被还原为Mn²⁺；
（3）①考虑二氧化锰的催化剂作用；
②升温到566℃时，MnO₂开始分解产生另一种气体X只能为氧气，氧气恰好与①中产生的CO₂物质的量相等，假设Li₂CO₃的物质的量为1mol，MnO₂物质的量为4mol，则产生1molCO₂即生成1molO₂，元素守恒B中含4molMn和6molO，同时得到固体B的化学式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，Li₂O和Mn₂O₃反应生成LiMn₂O₄；
（4）依据（2）分析含有的离子是Al³⁺、Fe²⁺等，根据流程图锰离子存在在溶液中，需要把铁离子和铝离子沉淀不能影响锰离子表中数据分析，把亚铁以为铁离子，然后调节溶液PH，使铁离子、铝离子完全沉淀，再利用氢氧化铝的两性除去氢氧化铁；

解答 解：（1）图象分析可知随温度升高，二氧化硫的吸收率降低，因此提高二氧化硫吸收率需要降低通入含硫烟气的温度或减小通入含硫烟气的流速，
故答案为：降低通入含硫烟气的温度或减小通入含硫烟气的流速；
（2）烟气中含二氧化硫溶于水生成亚硫酸，溶液显酸性，二氧化硅是酸性氧化物不与亚硫酸反应，氧化铝是两性氢氧化物，氧化铁和氧化亚铁是碱性氧化物，且铁离子具有氧化性把二氧化硫以为硫酸本身被还原为亚铁离子，二氧化锰中+4价锰被还原为Mn²⁺，因此滤液1中含有的金属阳离子是Al³⁺、Mn²⁺、Fe²⁺，
故答案为：Al³⁺、Fe²⁺；
（3）①升温到515℃时，Li₂CO₃开始分解产生CO₂，同时生成固体A，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，
故答案为：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只能为氧气，氧气恰好与①中产生的CO₂物质的量相等，假设Li₂CO₃的物质的量为1mol，MnO₂物质的量为4mol，则产生1molCO₂即生成1molO₂，元素守恒B中含4molMn和6molO，同时得到固体B的化学式Mn₂O₃，反应的化学方程式为：4MnO₂ $\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$ 2Mn₂O₃+O₂↑，
故答案为：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，Li₂O和Mn₂O₃反应生成LiMn₂O₄，因为固体质量增加，反应的化学方程式为：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄，
故答案为：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄；
（4）依据（2）分析含有的离子是Al³⁺、Fe²⁺等，根据流程图锰离子存在在溶液中，需要把铁离子和铝离子沉淀不能影响锰离子表中数据分析，把亚铁以为铁离子，然后调节溶液PH，使铁离子、铝离子完全沉淀，再利用氢氧化铝的两性除去氢氧化铁，具体步骤为：滴加足量过氧化氢，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，低温烘干得到氢氧化铝；

点评 本题考查了物质分离提纯的过程分析判断、物质性质转化，除杂方法的利用、反应化学方程式书写、实验设计等，掌握基础是解题关键，题目难度中等．