Question

锂离子电池正极材料需要纯度较高的硫酸锰，目前工业硫酸锰中杂质(钙、镁、铁等)含量高，利用下图流程可制取纯度较高的硫酸锰溶液。

反应①使杂质生成氟化物的沉淀，对反应①前后的杂质含量检测结果(以350g/LMnSO₄计)如下：

杂质	净化前/g	净化后/g	去除率/%
Fe^2+、Fe^3+	0.001275	0.001275	﹣
Ca^2+	0.490000	0.021510	95.61
Mg^2+	0.252000	0.025100	90.04

(1)滤渣x中含有的物质是_____。

(2)试分析钙镁去除结果不同的原因：_____。

(3)在滤液中加入KMnO₄可以将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，同时生成Mn²⁺．该反应的离子方程式为_____。

(4)已知：生成氢氧化物沉淀的pH

	Fe(OH)2	Fe(OH)3	Mn(OH)2
开始沉淀时	6.3	1.5	8.3
完全沉淀时	8.3	2.8	9.8

注：金属离子的起始浓度为0.1mol/L

根据表中数据解释流程中②的目的：_____。

(5)进一步研究表明，如果反应①后不过滤直接加入KMnO₄，同时控制加入的量，反应后调节pH，然后再过滤，可以进一步提高钙镁的去除率．对钙镁去除率提高的原因有如下假设：

假设I：Fe²⁺与生成了Fe³⁺，Fe³⁺水解生成的Fe(OH)₃吸附了沉淀物；

假设II：Mn²⁺与反应生成的活性MnO₂吸附了沉淀物。

选择适当的无机试剂，设计实验验证假设是否成立____________________。

(6)锂离子电池充放电过程中，锂离子在正极和负极之间来回移动，就像一把摇椅，称“摇椅式电池”。典型的锂离子电池工作原理如图所示。

①放电时Li⁺的移动方向从__________极到极_____(填“a”或“b”)。

②已知电极总反应：LiCoO₂+CLi_1﹣xCoO₂+CLi_x，写出放电时正极的电极反应式__。

Answer

CaF2、MgF2 CaF2比MgF2更难溶 +5Fe2++8H+＝5Fe3++Mn2++4H2O 将Fe3+转化为Fe(OH)3达到分离铁元素与锰元素的目的 取工业硫酸锰废水，加入MnF2，将所得样品分成两份，其中一份加入Fe(OH)3胶体，另一份加入活性MnO2，分别检测Ca2+、Mg2+的去除率，若去除率提高（大于95.61%、90.04%），则说明假设成立 b a Li1﹣xCoO2+xLi++xe-＝LiCoO2

【解析】

工业硫酸锰中杂质（钙、镁、铁等）含量高，90°C加入水中搅拌，加入MnF2反应生成CaF2、MgF2沉淀，滤液中加入高锰酸钾溶液氧化亚铁离子生成铁离子，调节溶液pH除去铁离子分离铁离子和锰离子，滤渣y为氢氧化铁。

(1)滤渣x中含有的物质是：CaF2、MgF2，

(2)根据表格可以看出，钙去除得较多，钙镁去除结果不同的原因是CaF2比MgF2更难溶；

(3)在滤液中加入KMnO4可以将Fe2+氧化为Fe3+，同时生成Mn2+，结合电子守恒和电荷守恒、原子守恒配平，该反应的离子方程式为：MnO4﹣+5Fe2++8H+5Fe3++Mn2++4H2O；

(4)根据表中数据，可知流程中②调节溶液pH使铁离子和锰离子分离，其目的是：将Fe3+转化为Fe(OH)3达到分离铁元素与锰元素的目的；

(5)对钙镁去除率提高的原因有如下假设：

假设Ⅰ：Fe2+与生成了Fe3+，Fe3+水解生成的Fe(OH)3吸附了沉淀物；

假设Ⅱ：Mn2+与反应生成的活性MnO2吸附了沉淀物．

设计实验验证假设是否成立：取工业硫酸锰溶液，加入MnF2，将所得样品分成两份，其中一份加入Fe(OH)3胶体，另一份加入活性MnO2，分别检测Ca2+、Mg2+的去除率，若去除率提高(大于95.61%、90.04%)，则说明假设成立；

(6)①图中放电过程中电子从b流向a说明b为负极，a为正极，放电时Li+的移动方向从负极到正极即b极移向a电极；

②已知电极总反应：LiCoO2+CLi1﹣xCoO2+CLix，则放电时正极的电极反应式为Li1﹣xCoO2+xLi++xe﹣＝LiCoO2。