Question

锰是重要的合金材料和催化剂，在工农业生产和科技领域有广泛的用途。将废旧锌锰电池回收处理后，将含MnO₂、MnOOH、Zn(OH)₂及少量Fe的废料进行回收处理，能实现资源的再生利用。用该废料制备Zn和MnO₂的一种工艺流程如图:

已知：Mn²⁺在酸性条件下比较稳定，pH高于5.5时易被O₂氧化。

回答下列问题：

(1)还原焙烧过程中，MnOOH与炭黑反应，锰元素被还原为MnO，该反应的化学方程式为_____。

(2)滤渣1主要成分的化学式是________。

(3)净化阶段

①为了除掉滤渣2中的元素，选择最佳的加入试剂为______（填序号）。

A．氯水           B．O₂            C．氨水          D．MnCO₃

②已知：室温下，Ksp[Mn(OH)₂]=10^-13，Ksp[Fe(OH)₃]=1×10^-38，Ksp[Zn(OH)₂]=10^-17。净化时溶液中Mn²⁺、Zn²⁺的浓度约为0. 1mol·L^-1，调节pH的合理范围是______。

(4)将MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物质的量比配料，混合搅拌，然后升温至600C~750°C， 制取产品LiMn₂O₄。写出该反应的化学方程式：________。

(5)LiMn₂O₄材料常制作成可充电电池（如图），该电池的总反应为

①充电时，锰酸锂为电池的_______（填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”）；该电极上发生的电极反应式为______________。

②该电池作为电源放电时，若电路中转移0.2mol e^-，则石墨电极将减重____________。

Answer

2MnOOH+C2MnO+CO↑+H2O↑ C BD 3≤pH<5.5 8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑ 阳极 LiMn2O4-xe-== Li1-xMn2O4+xLi+ 1.4

【解析】

含MnO2、MnOOH、Zn(OH)2及少量Fe的废料中加入过量炭黑，进行还原焙烧，生成CO、H2O、MnO、Fe、Zn等；再加入稀硫酸酸浸，滤渣1为C，滤液中含有FeSO4、ZnSO4、MnSO4等；净化时，需将Fe2+氧化为Fe3+，同时加入某试剂调节pH，将Fe3+转化为滤渣2，此时溶液中含有Mn2+和Zn2+；电解获得Zn和MnO2。

(1)还原焙烧过程中，MnOOH与炭黑反应，锰元素被还原为MnO，同时生成CO和水，该反应的化学方程式为2MnOOH+C2MnO+CO↑+H2O↑。答案为：2MnOOH+C2MnO+CO↑+H2O↑；

(2)焙烧所得固体中加入稀硫酸酸浸，只有炭黑不溶，所以滤渣1主要成分的化学式是C。答案为：C；

(3)①由以上分析知，滤渣2为Fe(OH)3，所以需加入氧化剂将Fe2+氧化为Fe3+，同时调节pH让其转化为沉淀，且尽可能不引入新的杂质，所以应选择最佳的加入试剂为BD。答案为：BD；

②当Fe3+完全转化为沉淀时，c(Fe3+)=1×10-5mol/L，利用Ksp[Fe(OH)3]=1×10-38，可求出pH=3；当净化时溶液中Mn2+、Zn2+的浓度约为0. 1mol·L-1，利用Ksp[Mn(OH)2]=10-13， Ksp[Zn(OH)2]=10-17，可求出pH=6、pH=8，由于pH高于5.5时Mn2+易被O2氧化，所以调节pH的合理范围是3≤pH<5.5。答案为：3≤pH<5.5；

(4)将MnO2和Li2CO3按4：1的物质的量比配料，混合搅拌，然后升温至600C~750°C， 制取产品LiMn2O4，则MnO2作氧化剂，同时应生成O2和CO2，该反应的化学方程式：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。答案为：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑；

(5)①充电时，从电子流动的方向看，锰酸锂失电子，为电池的阳极；该电极上发生的电极反应式为LiMn2O4-xe-== Li1-xMn2O4+xLi+。答案为：LiMn2O4-xe-== Li1-xMn2O4+xLi+；

②该电池作为电源放电时，发生反应为LixC+xe-==xLi+C，利用Li进行计算，若电路中转移0.2mol e-，则生成Li0.2mol，则石墨电极将减重0.2mol×7g/mol=1.4g。答案为：1.4。