Question

15．錳酸鋰（LiMn₂O₄）可作為鋰離子電池的正極材料，在工業(yè)上可利用軟錳礦漿（主要成分為MnO₂，含少量Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、SiO₂制備錳酸鋰，生產流程如圖1：

已知：
①軟錳礦漿在吸收含硫煙氣的過程中酸性逐漸增強．
②在此流程中部分金屬陽離子生成氫氧化物沉淀的pH如表：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Al（OH）3	Mn（OH）2
開始沉淀	2.7	7.6	3.4	7.7
完全沉淀	3.7	9.6	4.7	9.8

（1）已知：SO₂的吸收率與溫度及煙氣流速的關系如圖2．為提高含硫煙氣中SO₂的吸收率，可以采取的措施
降低通入含硫煙氣的溫度或減小通入含硫煙氣的流速
（2）濾液1中所含金屬陽離子有Mn²⁺、Al³⁺、Fe²⁺（填離子符號）．
（3）在實際生產中，在實際生產中，Li₂CO₃與MnO₂按物質的量之比為1：4混合均勻加熱制取LiMn₂O₄．
①升溫到515℃時，Li₂CO₃開始分解產生CO₂，同時生成固體A，此時比預計Li₂CO₃的分解溫度（723℃）低得多，可能原因是MnO₂對Li₂CO₃的分解有催化劑的作用
②升溫到566℃時，MnO₂開始分解產生另一種氣體X，X恰好與①中產生的CO₂物質的量相等，同時得到固體B．請寫出此過程發(fā)生的化學反應方程式4MnO₂ $\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑
③升溫到720℃時，A、B反應，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰．請寫出發(fā)生的化學反應方程式2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄
（4）請補充完整由“濾液1”得到“濾液2”和Al（OH）₃的實驗方案[Al（OH）₃在pH≥12時溶解]：邊攪拌邊向濾液1中滴加足量過氧化氫，攪拌加入氫氧化鈉溶液至4.7≤PH＜7.7，過濾得到濾液2和固體向所得固體中加入氫氧化鈉溶液至PH≥12，攪拌過濾再向所得濾液中通入二氧化碳過濾洗滌，低溫烘干得到氫氧化鋁（實驗中須用到的試劑有：NaOH溶液、H₂O₂、CO₂）

Answer 1

分析 軟錳礦漿（主要成分為MnO₂，含少量Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、SiO₂制備錳酸鋰，在實際生產中，Li₂CO₃與MnO₂按物質的量之比為1：4混合均勻加熱制取LiMn₂O₄．軟錳礦漿通入含二氧化硫的煙氣，二氧化硫溶于水生成亞硫酸，MnO₂、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、都能溶于酸，二氧化硅不溶鹽酸，濾渣1為二氧化硅，濾液1含Al³⁺、Mn²⁺、Fe²⁺，滴加足量過氧化氫，攪拌加入氫氧化鈉溶液至4.7≤PH＜7.7，過濾得到濾液2和固體向所得固體中加入氫氧化鈉溶液至PH≥12，攪拌過濾再向所得濾液中通入二氧化碳過濾洗滌，低溫烘干得到氫氧化鋁，濾液2中加入氫氧化鈉溶液過濾得到Mn（OH）₂，一定條件下得到MnO₂，Li₂CO₃與MnO₂按物質的量之比為1：4混合均勻加熱制取LiMn₂O₄．
（1）圖象分析可知隨溫度升高，二氧化硫的吸收率降低；
（2）煙氣中含二氧化硫溶于水生成亞硫酸，溶液顯酸性，二氧化硅是酸性氧化物不與亞硫酸反應，氧化鋁是兩性氫氧化物，氧化鐵和氧化亞鐵是堿性氧化物，且鐵離子具有氧化性把二氧化硫以為硫酸本身被還原為亞鐵離子，二氧化錳中+4價錳被還原為Mn²⁺；
（3）①考慮二氧化錳的催化劑作用；
②升溫到566℃時，MnO₂開始分解產生另一種氣體X只能為氧氣，氧氣恰好與①中產生的CO₂物質的量相等，假設Li₂CO₃的物質的量為1mol，MnO₂物質的量為4mol，則產生1molCO₂即生成1molO₂，元素守恒B中含4molMn和6molO，同時得到固體B的化學式Mn₂O₃；
③升溫到720℃時，A、B反應，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰，Li₂O和Mn₂O₃反應生成LiMn₂O₄；
（4）依據（2）分析含有的離子是Al³⁺、Fe²⁺等，根據流程圖錳離子存在在溶液中，需要把鐵離子和鋁離子沉淀不能影響錳離子表中數據分析，把亞鐵以為鐵離子，然后調節(jié)溶液PH，使鐵離子、鋁離子完全沉淀，再利用氫氧化鋁的兩性除去氫氧化鐵；

解答 解：（1）圖象分析可知隨溫度升高，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煙氣的溫度或減小通入含硫煙氣的流速，
故答案為：降低通入含硫煙氣的溫度或減小通入含硫煙氣的流速；
（2）煙氣中含二氧化硫溶于水生成亞硫酸，溶液顯酸性，二氧化硅是酸性氧化物不與亞硫酸反應，氧化鋁是兩性氫氧化物，氧化鐵和氧化亞鐵是堿性氧化物，且鐵離子具有氧化性把二氧化硫以為硫酸本身被還原為亞鐵離子，二氧化錳中+4價錳被還原為Mn²⁺，因此濾液1中含有的金屬陽離子是Al³⁺、Mn²⁺、Fe²⁺，
故答案為：Al³⁺、Fe²⁺；
（3）①升溫到515℃時，Li₂CO₃開始分解產生CO₂，同時生成固體A，此時比預計Li₂CO₃的分解溫度（723℃）低得多，說明MnO₂對Li₂CO₃的分解有催化劑的作用，
故答案為：MnO₂對Li₂CO₃的分解有催化劑的作用；
②升溫到566℃時，MnO₂開始分解產生另一種氣體X只能為氧氣，氧氣恰好與①中產生的CO₂物質的量相等，假設Li₂CO₃的物質的量為1mol，MnO₂物質的量為4mol，則產生1molCO₂即生成1molO₂，元素守恒B中含4molMn和6molO，同時得到固體B的化學式Mn₂O₃，反應的化學方程式為：4MnO₂ $\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$ 2Mn₂O₃+O₂↑，
故答案為：4MnO₂ $\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$ 2Mn₂O₃+O₂↑；
③升溫到720℃時，A、B反應，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰，Li₂O和Mn₂O₃反應生成LiMn₂O₄，因為固體質量增加，反應的化學方程式為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄，
故答案為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄；
（4）依據（2）分析含有的離子是Al³⁺、Fe²⁺等，根據流程圖錳離子存在在溶液中，需要把鐵離子和鋁離子沉淀不能影響錳離子表中數據分析，把亞鐵以為鐵離子，然后調節(jié)溶液PH，使鐵離子、鋁離子完全沉淀，再利用氫氧化鋁的兩性除去氫氧化鐵，具體步驟為：滴加足量過氧化氫，攪拌加入氫氧化鈉溶液至4.7≤PH＜7.7，過濾得到濾液2和固體向所得固體中加入氫氧化鈉溶液至PH≥12，攪拌過濾再向所得濾液中通入二氧化碳過濾洗滌，低溫烘干得到氫氧化鋁；

點評 本題考查了物質分離提純的過程分析判斷、物質性質轉化，除雜方法的利用、反應化學方程式書寫、實驗設計等，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．