Question

3．Mn₃O₄應用廣泛，常用于制作軟磁體、石墨烯電極及鋰離子電池電極等材料．以碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵（+2價）、鎳（+2價）、鈷（+2價）等碳酸鹽雜質(zhì)）為原料生產(chǎn)Mn₃O₄的工藝流程如下（如圖1）：
請回答下列問題：
（1）MnS、CoS、NiS三種難溶物中，溶解度最大的是MnS．
（2）步驟Ⅱ中，加入MnO₂主要目的是在酸性條件下將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺．
（3）步驟Ⅳ中不加入氨水也可得到碳酸錳，不加入氨水時反應的化學方程式是MnSO₄+2NH₄HCO₃═MnCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O．
（4）25℃、c（Mn²⁺）=1.05mol/L時，MnCO₃的產(chǎn)率與溶液pH、反應時間的關(guān)系如圖2所示．根據(jù)圖中信息得出的結(jié)論是pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高（或pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，所需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果）；
（5）焙燒高純度的MnCO₃（s）可得Mn₃O₄（s）．
已知：25℃、101kp_a時，
3Mn（s）+2O₂（g）=Mn₃O₄（s）△H=-1380kJ/mol
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394kJ/mol
2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H=-1790kJ/mol
則MnCO₃（s）生成Mn₃O₄（s）的熱化學方程式是6MnCO₃（s）+O₂（g）=2Mn₃O₄（s）+6CO₂（g）△H=+246kJ/mol．
（6）Mn₃O₄可制備鋰離子電池正極材料LiMn₂O₄．某鋰離子電池的電池反應是：
Li_1+y-xMn₂O₄+Li_xC₆=Li_1+y Mn₂O₄+C₆，負極的電極反應式是Li_xC₆-xe^-=C₆+xLi⁺，正極的電極反應式是Li_1+y-xMn₂O₄+xLi⁺+xe^-=Li_1+yMn₂O₄．
（6）現(xiàn)用100t質(zhì)量分數(shù)為34.5%的碳酸錳礦經(jīng)過上述流程，若步驟Ⅰ中浸出率為90%，步驟Ⅱ中加入MnO₂引入的錳元素相當于2610kg MnO₂，步驟Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中錳元素的總利用率為90%，可得到Mn₃O₄20610kg．（提示：MnCO₃、MnO₂、Mn₃O₄）的摩爾質(zhì)量分別為115、87、229g/mol）

Answer 1

分析 向碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵（+2價）、鎳（+2價）、鈷（+2價）等碳酸鹽雜質(zhì)）中加入硫酸，這些碳酸鹽和稀硫酸反應生成硫酸鹽，向溶液中加入二氧化錳、氨水并調(diào)節(jié)溶液的pH，可以將亞鐵離子氧化為鐵離子，調(diào)節(jié)pH可以將氫氧化鐵沉淀下來，向濾液A中加入硫化銨，可以將鎳離子、鈷離子形成硫化物沉淀下來，過濾后得到硫酸錳溶液，向濾液中加入碳酸氫銨、氨水，得到碳酸錳沉淀和濾液B，煅燒碳酸錳固體得到Mn₃O₄，
（1）根據(jù)III到IV的反應確定MnS、CoS、NiS三種難溶物中溶解度最大的物質(zhì)；
（2）MnO₂具有氧化性，能氧化還原性的鐵離子；
（3）步驟Ⅳ中不加入氨水也可得到碳酸錳，不加入氨水時碳酸氫銨和硫酸錳反應生成碳酸錳沉淀；
（4）根據(jù)時間、溶液的pH與碳酸錳產(chǎn)率關(guān)系分析解答；
（5）根據(jù)蓋斯定律計算反應熱；
（6）電池反應式減去負極反應式即得正極反應式；
（7）根據(jù)Mn元素守恒計算Mn₃O₄的質(zhì)量．

解答 解：向碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵（+2價）、鎳（+2價）、鈷（+2價）等碳酸鹽雜質(zhì)）中加入硫酸，這些碳酸鹽和稀硫酸反應生成硫酸鹽，向溶液中加入二氧化錳、氨水并調(diào)節(jié)溶液的pH，可以將亞鐵離子氧化為鐵離子，調(diào)節(jié)pH可以將氫氧化鐵沉淀下來，向濾液A中加入硫化銨，可以將鎳離子、鈷離子形成硫化物沉淀下來，過濾后得到硫酸錳溶液，向濾液中加入碳酸氫銨、氨水，得到碳酸錳沉淀和濾液B，煅燒碳酸錳固體得到Mn₃O₄，
（1）根據(jù)III到IV的反應確定MnS、CoS、NiS三種難溶物中溶解度最大的物質(zhì)是MnS，故答案為：MnS；
（2）MnO₂具有氧化性，能氧化還原性的鐵離子，調(diào)節(jié)溶液的pH從而將鐵元素除去，故答案為：在酸性條件下將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺；
（3）步驟Ⅳ中不加入氨水也可得到碳酸錳，不加入氨水時碳酸氫銨和硫酸錳反應生成碳酸錳沉淀，反應方程式為MnSO₄+2NH₄HCO₃═MnCO₃↓+（ NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O，故答案為：MnSO₄+2NH₄HCO₃═MnCO₃↓+（ NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O；
（4）根據(jù)圖知pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高（或pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，所需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果），
故答案為：pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高（或pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，所需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果）；
（5）①3Mn（s）+2O₂（g）=Mn₃O₄（s）△H=-1380kJ/mol
②C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394kJ/mol
③2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H=-1790kJ/mol
將方程式2①+6②-3③6MnCO₃（s）+O₂（g）=2Mn₃O₄（s）+6CO₂（g）△H=2（-1380kJ/mol
）+6（-394kJ/mol）-3（-1790kJ/mol）=+246kJ/mol，
故答案為：6MnCO₃（s）+O₂（g）=2Mn₃O₄（s）+6CO₂（g）△H=+246kJ/mol；
（6）電池反應式減去負極反應式即得正極反應式為Li_1+y-xMn₂O₄+xLi⁺+xe^-=Li_1+y Mn₂O₄，故答案為：Li_1+y-xMn₂O₄+xLi⁺+xe^-=Li_1+y Mn₂O₄；
（7）設Mn₃O₄的質(zhì)量為xkg，根據(jù)Mn元素守恒得（1×10000kg×34.5%×$\frac{55}{115}$×90%+2610kg×$\frac{55}{87}$）×90%=xkg×$\frac{165}{229}$，x=20610，
故答案為：20610．

點評 本題考查物質(zhì)分離和提純，為高頻考點，涉及氧化還原反應、基本操作、蓋斯定律、原電池原理、質(zhì)量分數(shù)有關(guān)計算等知識點，綜合性較強，明確基本化學原理及基本操作、基本計算是解本題關(guān)鍵，熟悉流程圖中基本操作方法及發(fā)生的反應，題目難度中等．