Question

【题目】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下：

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________。

(2)流程中，FeSO4的作用是_______，MnO的作用是_________，当滤液中的pH为6时，滤液中所含铝离子的浓度为___________。

(3)采用下图装置电解，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________；电解产生的MnO2沉积在电极上，该电极反应式为_________。

(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__________。

(5)写出高温煅烧生成锰酸锂的化学方程式___________。

Answer 1

【答案】(1) +3 +4 (2)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)硫酸钠溶液 Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+ (4)2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O (5)8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑‘’

【解析】（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；

（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 molL-1滤液中所含铝离子的浓度为=4.5×10-9 molL-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；

（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+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。