Question

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

+3 +4 还原剂，还原MnO2 调节滤液的pH，除去Fe3+和Al3+；4.5×10-9 mol •L-1 硫酸钠溶液 Mn2+-2e-+2H2O= MnO2+4H+ 2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O 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 mol•L-1滤液中所含铝离子的浓度为=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；

（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↑。

点睛：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，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。