Question

【題目】實(shí)驗(yàn)室回收利用廢舊鋰離子電池正極材料錳酸鋰(LiMn2O4)的一種流程如下:

(1)廢舊電池可能殘留有單質(zhì)鋰，拆解不當(dāng)易爆炸、著火，為了安全，對(duì)拆解環(huán)境的要求是____________。

(2)“酸浸”時(shí)采用HNO3和H2O2的混合液體，可將難溶的LiMn2O4轉(zhuǎn)化為Mn(NO3)2、LiNO3等產(chǎn)物。請(qǐng)寫(xiě)出該反應(yīng)離子方程式___________________。

如果采用鹽酸溶解，從反應(yīng)產(chǎn)物的角度分析，以鹽酸代替HNO3和H2O2混合物的缺點(diǎn)是____________。

(3)“過(guò)濾2”時(shí)，洗滌Li2CO3沉淀的操作是_______________________。

(4)把分析純碳酸鋰與二氧化錳兩種粉末，按物質(zhì)的量1:4混合均勻加熱可重新生成LMn2O4，升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO2產(chǎn)生，同時(shí)生成固體A，比預(yù)計(jì)碳酸鋰的分解溫度(723℃)低很多，可能的原因是__________。

(5)制備高純MnCO3固體:已知MnCO3難溶于水、乙醇，潮濕時(shí)易被空氣氧化，100℃開(kāi)始分解；Mn(OH)2開(kāi)始沉淀的pH=7.7。請(qǐng)補(bǔ)充由上述過(guò)程中，制得的Mn(OH)2制備高純MnCO3的操作步驟[實(shí)驗(yàn)中可選用的試劑:H2SO4、Na2CO3、C2H5OH]；向Mn(OH)2中邊攪拌邊加入_________________。

Answer 1

【答案】 隔絕空氣和水分 2LiMn2O4 +10 H+ +3H2O2 ＝4Mn2++2 Li+ +3O2↑+ 8H2O 反應(yīng)生成 Cl2，污染環(huán)境 沿著玻璃棒向過(guò)濾器中加入蒸餾水至浸沒(méi)沉淀，待水自然流出，重復(fù)操作 2~3 次 二氧化錳作為催化劑，降低了碳酸鋰分解溫度 H2SO4溶液，固體溶解，加入 Na2CO3，并控制溶液 pH＜7.7，過(guò)濾，用少量的乙醇洗滌，低于 100℃真空干燥

【解析】分析：本題以廢舊鋰離子正極材料錳酸鋰的利用流程為載體，考查流程的分析、離子方程式的書(shū)寫(xiě)、基本實(shí)驗(yàn)操作、物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。“酸浸”時(shí)采用HNO3和H2O2的混合液體，可將難溶的LiMn2O4轉(zhuǎn)化為Mn（NO3）2、LiNO3等產(chǎn)物；“沉淀1”加入NaOH將Mn（NO3）2轉(zhuǎn)化成沉淀；“沉淀2”加入Na2CO3與Li+形成Li2CO3沉淀。

（1）Li與空氣中的O2和水反應(yīng)。

（2）HNO3和H2O2的混合液將LiMn2O4還原為Mn（NO3）2，則H2O2被氧化成O2。用鹽酸代替HNO3和H2O2的混合液，鹽酸的氧化產(chǎn)物為Cl2。

（3）洗滌的操作：沿著玻璃棒向過(guò)濾器中加入蒸餾水至浸沒(méi)沉淀，待水自然流出，重復(fù)操作 2~3 次。

（4）MnO2作為催化劑，降低了碳酸鋰的分解溫度。

（5）根據(jù)題目提供的試劑分析，制備MnCO3的原理為：Mn（OH）2+H2SO4=MnSO4+2H2O、MnSO4+Na2CO3=MnCO3↓+Na2SO4，pH=7.7時(shí)開(kāi)始形成Mn（OH）2沉淀，加入Na2CO3沉淀Mn2+時(shí)控制pH7.7；根據(jù)MnCO3的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)選擇MnCO3分離提純的方法。

詳解：（1）廢舊電池可能殘留有單質(zhì)鋰，鋰化學(xué)性質(zhì)活潑，鋰可與空氣中的O2和H2O反應(yīng)，對(duì)拆解的要求是：隔絕空氣和水分。

（2）“酸浸”時(shí)采用HNO3和H2O2的混合液體，可將難溶的LiMn2O4轉(zhuǎn)化為Mn（NO3）2、LiNO3等產(chǎn)物，LiMn2O4被還原成Mn（NO3）2，則H2O2被氧化成O2，反應(yīng)中1molLiMn2O4參與反應(yīng)得到3mol電子，1molH2O2失去2mol電子，根據(jù)得失電子守恒和原子守恒，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2LiMn2O4+10HNO3+3H2O2=2LiNO3+4Mn（NO3）2+3O2↑+8H2O，反應(yīng)的離子方程式為2LiMn2O4+10H++3H2O2=2Li++4Mn2++3O2↑+8H2O。若采用鹽酸溶解，鹽酸作還原劑被氧化成Cl2，以鹽酸代替HNO3和H2O2混合物的缺點(diǎn)是：反應(yīng)生成Cl2，污染環(huán)境。

（3）“過(guò)濾2”時(shí)，洗滌Li2CO3沉淀的操作是：沿著玻璃棒向過(guò)濾器中加入蒸餾水至浸沒(méi)沉淀，待水自然流出，重復(fù)操作 2~3 次。

（4）將分析純碳酸鋰與MnO2按物質(zhì)的量1:4混合均勻升溫到515℃時(shí)，開(kāi)始有CO2產(chǎn)生，比預(yù)計(jì)的碳酸鋰的分解溫度低很多，可能的原因是：MnO2作為催化劑，降低了碳酸鋰的分解溫度。

（5）根據(jù)題目提供的試劑分析，制備MnCO3的原理為：Mn（OH）2+H2SO4=MnSO4+2H2O、MnSO4+Na2CO3=MnCO3↓+Na2SO4，pH=7.7時(shí)開(kāi)始形成Mn（OH）2沉淀，加入Na2CO3沉淀Mn2+時(shí)控制pH7.7；制備MnCO3的步驟為：向Mn（OH）2中加入H2SO4，固體溶解轉(zhuǎn)化為MnSO4溶液，向MnSO4溶液中加入Na2CO3控制pH7.7獲得MnCO3沉淀；由于“MnCO3難溶于水、乙醇，潮濕時(shí)易被空氣氧化，100℃開(kāi)始分解”，所以為了減少MnCO3的氧化變質(zhì)和分解、以及溶解損失，過(guò)濾分離出MnCO3后，用乙醇洗滌，在低于100℃真空干燥。由Mn（OH）2制備高純MnCO3的操作步驟為：向Mn（OH）2中邊攪拌邊加入H2SO4溶液，固體溶解，加入 Na2CO3，并控制溶液 pH＜7.7，過(guò)濾，用少量的乙醇洗滌，低于 100℃真空干燥。