Question

【題目】新型鋰電池正極材料錳酸鋰（LiMn2O4)有望取代廣泛使用的LiCoO2。工業上用某軟錳礦(主要成分為MnO2，同時含有少量鐵、鋁及硅等的氧化物）為原料制備錳酸鋰的流程如下：

有關物質的溶度積常數

物質	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，鋰電池放電正極的電極反應為：LiMn2O4+e-+Li+= Li2Mn2O4，則鋰電池正極材料錳酸鋰中，錳元素的化合價為________。

(2)流程中，FeSO4的作用是_______，MnO的作用是_________，當濾液中的pH為6時，濾液中所含鋁離子的濃度為___________。

(3)采用下圖裝置電解，離子交換膜將電解池分隔為陽極室和陰極室，兩室的溶液分別為硫酸鈉溶液和制得的硫酸錳溶液，則陰極室中的溶液為________；電解產生的MnO2沉積在電極上，該電極反應式為_________。

(4)若將上述裝置中的硫酸鈉溶液換為軟錳礦的礦漿，并加入適量的硫酸鐵及硫酸，可一次性完成軟錳礦的浸出反應與電解沉積MnO2反應，電解時，Fe3+先放電生成Fe2+，產生的Fe2+再與礦漿中的 MnO2反應，周而復始，直至礦漿中的MnO2完全浸出。則Fe2+與礦漿中MnO2反應的離子方程式為__________。

(5)寫出高溫煅燒生成錳酸鋰的化學方程式___________。

Answer 1

【答案】(1) +3 +4 (2)還原劑，還原MnO2 調節濾液的pH，除去Fe3+和Al3+；4.5×10-9 mol L-1 (3)硫酸鈉溶液 Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+ (4)2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O (5)8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑‘’

【解析】（1）鋰電池放電正極的電極反應為：LiMn2O4+e-+Li+═Li2Mn2O4，Li2Mn2O4中錳元素+3價，則LiMn2O4中錳元素有+4價，但只有一個錳原子得電子，另一個錳原子未得電子變價，也為+4價，則鋰電池正極材料錳酸鋰中，錳元素的化合價為+3、+4；

（2）流程中，某軟錳礦（主要成分為MnO2，同時含有少量鐵、鋁及硅等的氧化物），FeSO4有還原性，加入FeSO4的作用是與二氧化錳反應，使錳離子進入溶液；

加入MnO調節pH，將鐵離子、鋁離子沉淀，得到硫酸錳的溶液；

已知的Al（OH）3Ksp為4.5×10-33，當濾液中的pH為6時，則c（OH-）=10-8 molL-1濾液中所含鋁離子的濃度為=4.5×10-9 molL-1；

（3）離子交換膜將電解池分隔為陽極室和陰極室，兩室的溶液分別為硫酸鈉溶液和制得的硫酸錳溶液，陰極發生還原反應，陽極發生氧化反應，由流程可知，錳離子生成二氧化錳，反應式為Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+，則陽極室為硫酸錳溶液，陰極室為硫酸鈉溶液；

（4）Fe2+與礦漿中MnO2反應的離子方程式為：2Fe2++MnO2+44H+=2Fe3++Mn2++2H2O；

故答案為：2Fe2++MnO2+44H+=2Fe3++Mn2++2H2O；

（5）高溫煅燒生成錳酸鋰，錳元素化合價降低，則氧元素升價到0價，化學方程式為：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。