Question

19．高純度錳酸鋰（LiMn₂O₄）是鋰電池重要的正極材料．
（1）工業(yè)上有一種制取高純度錳酸鋰的方法如下：
①由硫酸錳與K₂S₂O₈溶液常溫下混合一周，慢慢得到球形二氧化錳（MnO₂）．請寫出發(fā)生的化學反應方程式：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄．
②過濾、干燥得到球形二氧化錳，再與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰．請寫出發(fā)生的化學反應方程式：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑．
（2）氫氧化鋰容易與二氧化碳反應，工業(yè)上常用碳酸鋰代替．
把分析純碳酸鋰與電解二氧化錳兩種粉末，按物質的量1：4混合均勻加熱．
①升溫到515℃時，開始有CO₂產生，同時生成固體A，比預計碳酸鋰的分解溫度（723℃）低很多．原因是二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解．
②升溫到566℃時，產生另一種氣體X，X恰好與CO₂物質的量相等，同時得到固體B．請寫出發(fā)生的化學反應方程式：4MnO₂$\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．

Answer 1

分析 （1）①硫酸錳與K₂S₂O₈溶液反應得到二氧化錳（MnO₂），Mn元素化合價降低，硫元素被氧化生成硫酸鉀、硫酸；
②二氧化錳與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰，Mn元素化合價降低，只能是氧元素化合價升高得到氧氣，同時生成水；
（2）假設碳酸鋰為1mol，二氧化錳為4mol，升溫到515℃時，開始有CO₂產生，同時生成固體A，應是碳酸鋰分解得到二氧化碳與氧化鋰，固體A為Li₂O，二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，根據(jù)原子守恒可知生成CO₂為1mol、Li₂O為1mol，繼續(xù)升溫到566℃時，產生另一種氣體X，同時得到固體B，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，則反應恰好進行，生成物唯一固體就是錳酸鋰（LiMn₂O₄），根據(jù)元素守恒可知，B應含有Mn元素，故升溫到566℃時應是二氧化錳分解，生成氣體X為O₂，X恰好與CO₂物質的量相等，則氧氣的物質的量為1mol，故固體B中Mn、O原子數(shù)目之比為4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，則B為Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物質的量為2mol，720℃時1molLi₂O、2molMn₂O₃反應得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂參與反應．

解答 解：（1）①硫酸錳與K₂S₂O₈溶液反應得到二氧化錳（MnO₂），Mn元素化合價降低，硫元素被氧化生成硫酸鉀、硫酸，反應方程式為：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄，
故答案為：MnSO₄+K₂S₂O₈+2H₂O═MnO₂+K₂SO₄+2H₂SO₄；
②二氧化錳與氫氧化鋰750℃共熱5h，得到錳酸鋰，Mn元素化合價降低，只能是氧元素化合價升高得到氧氣，同時生成水，反應方程式為：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑，
故答案為：4LiOH+8MnO₂$\frac{\underline{\;750℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2H₂O↑+O₂↑；
（2）假設碳酸鋰為1mol，二氧化錳為4mol，升溫到515℃時，開始有CO₂產生，同時生成固體A，應是碳酸鋰分解得到二氧化碳與氧化鋰，固體A為Li₂O，二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，根據(jù)原子守恒可知生成CO₂為1mol、Li₂O為1mol，繼續(xù)升溫到566℃時，產生另一種氣體X，同時得到固體B，升溫到720℃時，A、B反應，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰，則反應恰好進行，生成物唯一固體就是錳酸鋰（LiMn₂O₄），根據(jù)元素守恒可知，B應含有Mn元素，故升溫到566℃時應是二氧化錳分解，生成氣體X為O₂，X恰好與CO₂物質的量相等，則氧氣的物質的量為1mol，故固體B中Mn、O原子數(shù)目之比為4mol：（4mol×2-1mol×2）=2：3，則B為Mn₂O₃，由Mn元素守恒可知，Mn₂O₃的物質的量為2mol，720℃時1molLi₂O、2molMn₂O₃反應得到2mol LiMn₂O₄，由氧原子守恒可知，需要0.5molO₂參與反應．
①升溫到515℃時，開始有CO₂產生，同時生成固體A，由于二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解，比預計碳酸鋰的分解溫度（723℃）低很多，
故答案為：二氧化錳是催化劑，加快了碳酸鋰分解；
②由上述分析可知，升溫到566℃時，發(fā)生的化學反應方程式為：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑，
故答案為：4MnO₂$\frac{\underline{\;566℃\;}}{\;}$2Mn₂O₃+O₂↑；
③由上述分析可知，升溫到720℃時，發(fā)生的化學反應方程式為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄，
故答案為：2Li₂O+4Mn₂O₃+O₂$\frac{\underline{\;720℃\;}}{\;}$4LiMn₂O₄．

點評 本題以“高純度”為要求，從化學的角度獲取定性定量信息，得出以前沒有得出過的結論，較隱蔽地考查學生利用知識推理、創(chuàng)造性的思維，難度中等．