Question

【題目】錳是重要的合金材料和催化劑，在工農業生產和科技領域有廣泛的用途。將廢舊鋅錳電池回收處理后，將含MnO2、MnOOH、Zn(OH)2及少量Fe的廢料進行回收處理，能實現資源的再生利用。用該廢料制備Zn和MnO2的一種工藝流程如圖:

已知：Mn2+在酸性條件下比較穩定，pH高于5.5時易被O2氧化。

回答下列問題：

(1)還原焙燒過程中，MnOOH與炭黑反應，錳元素被還原為MnO，該反應的化學方程式為_____。

(2)濾渣1主要成分的化學式是________。

(3)凈化階段

①為了除掉濾渣2中的元素，選擇最佳的加入試劑為______（填序號）。

A．氯水 B．O2 C．氨水 D．MnCO3

②已知：室溫下，Ksp[Mn(OH)2]=10-13，Ksp[Fe(OH)3]=1×10-38，Ksp[Zn(OH)2]=10-17。凈化時溶液中Mn2+、Zn2+的濃度約為0. 1mol·L-1，調節pH的合理范圍是______。

(4)將MnO2和Li2CO3按4：1的物質的量比配料，混合攪拌，然后升溫至600C~750°C， 制取產品LiMn2O4。寫出該反應的化學方程式：________。

(5)LiMn2O4材料常制作成可充電電池（如圖），該電池的總反應為

①充電時，錳酸鋰為電池的_______（填“正極”“負極”“陰極”或“陽極”）；該電極上發生的電極反應式為______________。

②該電池作為電源放電時，若電路中轉移0.2mol e-，則石墨電極將減重____________。

Answer 1

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

【解析】

含MnO2、MnOOH、Zn(OH)2及少量Fe的廢料中加入過量炭黑，進行還原焙燒，生成CO、H2O、MnO、Fe、Zn等；再加入稀硫酸酸浸，濾渣1為C，濾液中含有FeSO4、ZnSO4、MnSO4等；凈化時，需將Fe2+氧化為Fe3+，同時加入某試劑調節pH，將Fe3+轉化為濾渣2，此時溶液中含有Mn2+和Zn2+；電解獲得Zn和MnO2。

(1)還原焙燒過程中，MnOOH與炭黑反應，錳元素被還原為MnO，同時生成CO和水，該反應的化學方程式為2MnOOH+C2MnO+CO↑+H2O↑。答案為：2MnOOH+C2MnO+CO↑+H2O↑；

(2)焙燒所得固體中加入稀硫酸酸浸，只有炭黑不溶，所以濾渣1主要成分的化學式是C。答案為：C；

(3)①由以上分析知，濾渣2為Fe(OH)3，所以需加入氧化劑將Fe2+氧化為Fe3+，同時調節pH讓其轉化為沉淀，且盡可能不引入新的雜質，所以應選擇最佳的加入試劑為BD。答案為：BD；

②當Fe3+完全轉化為沉淀時，c(Fe3+)=1×10-5mol/L，利用Ksp[Fe(OH)3]=1×10-38，可求出pH=3；當凈化時溶液中Mn2+、Zn2+的濃度約為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時Mn2+易被O2氧化，所以調節pH的合理范圍是3≤pH<5.5。答案為：3≤pH<5.5；

(4)將MnO2和Li2CO3按4：1的物質的量比配料，混合攪拌，然后升溫至600C~750°C， 制取產品LiMn2O4，則MnO2作氧化劑，同時應生成O2和CO2，該反應的化學方程式：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。答案為：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑；

(5)①充電時，從電子流動的方向看，錳酸鋰失電子，為電池的陽極；該電極上發生的電極反應式為LiMn2O4-xe-== Li1-xMn2O4+xLi+。答案為：LiMn2O4-xe-== Li1-xMn2O4+xLi+；

②該電池作為電源放電時，發生反應為LixC+xe-==xLi+C，利用Li進行計算，若電路中轉移0.2mol e-，則生成Li0.2mol，則石墨電極將減重0.2mol×7g/mol=1.4g。答案為：1.4。