Question

5．錳酸鋰（LiMn₂O₄）是新一代鋰離子電池的正極材料．實(shí)驗(yàn)室回收利用廢舊鋰離子電池正極材料（錳酸鋰、碳粉等涂覆在鋁箔上）的一種流程如下：

（1）X的化學(xué)式為Al（OH）₃．
（2）寫出“酸溶”過(guò)程中反應(yīng)的離子方程式：4LiMn₂O₄+O₂+4H⁺═4Li⁺+8MnO₂+2H₂O．
（3）反應(yīng)②中與Na₂CO₃反應(yīng)的物質(zhì)有Li₂SO₄和H₂SO₄（填化學(xué)式）；工業(yè)上洗滌Li₂CO₃用的是熱水而不是冷水，其原因是降低Li₂CO₃的溶解度，減少溶解．
（4）固相法制備LiMn₂O₄的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物質(zhì)的量之比配料，球磨3～5小時(shí)，然后升溫，高溫加熱，保溫24小時(shí)，冷卻至室溫．
①寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．
②LiMn₂O₄中錳元素的平均價(jià)態(tài)為+3.5．在不同溫度下，合成的LiMn₂O₄中Mn²⁺、Mn³⁺和Mn⁴⁺的含量與溫度的關(guān)系見下表．

T/℃	w（Mn2+）（%）	w（Mn3+）（%）	w（Mn4+）（%）
700	5.56	44.58	49.86
750	2.56	44.87	52.57
800	5.50	44.17	50.33
850	6.22	44.40	49.38

由此可以確定：在上述溫度范圍內(nèi)，錳元素的平均價(jià)態(tài)的變化趨勢(shì)是先變大，后變�。�

Answer 1

分析 廢舊鋰離子電池正極材料加入堿溶液浸泡，鋁溶解在氫氧化鈉溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成偏鋁酸鈉，即濾液的主要成分，偏鋁酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉，沉淀X為氫氧化鋁，LiMn₂O₄在酸性環(huán)境下能被空氣中的氧氣氧化發(fā)生氧化還原反應(yīng)，得到的濾液中有生成的硫酸鋰，可能有過(guò)量的硫酸，最后加入碳酸鈉之后所得碳酸鋰，濾液主要成分為硫酸鈉，
（1）偏鋁酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀；
（2）LiMn₂O₄在酸性環(huán)境下能被空氣中的氧氣氧化；
（3）酸溶后溶液中含有硫酸，硫酸鋰，都與碳酸鈉反應(yīng)；碳酸鋰溶解度隨溫度升高減小；
（4）MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物質(zhì)的量之比配料，高溫下可生成LiMn₂O₄，結(jié)合表中數(shù)據(jù)判斷化合價(jià)的變化．

解答 解：廢舊鋰離子電池正極材料加入堿溶液浸泡，鋁溶解在氫氧化鈉溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成偏鋁酸鈉，即濾液的主要成分，偏鋁酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉，沉淀X為氫氧化鋁，LiMn₂O₄在酸性環(huán)境下能被空氣中的氧氣氧化發(fā)生氧化還原反應(yīng)，得到的濾液中有生成的硫酸鋰，可能有過(guò)量的硫酸，最后加入碳酸鈉之后所得碳酸鋰，濾液主要成分為硫酸鈉，
（1）通入二氧化碳，發(fā)生CO₂+AlO₂^-+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，沉淀為Al（OH）₃，故答案為：Al（OH）₃；
（2）在酸性環(huán)境下，LiMn₂O₄能被空氣中的氧氣氧化，離子方程式為：4 LiMn₂O₄+O₂+4H⁺=4Li⁺+8MnO₂+2H₂O，
故答案為：4LiMn₂O₄+O₂+4H⁺═4Li⁺+8MnO₂+2H₂O；
（3）酸溶后溶液中含有硫酸，硫酸鋰，都與碳酸鈉反應(yīng)，碳酸鋰溶解度隨溫度升高減小，則工業(yè)上洗滌Li₂CO₃用的是熱水而不是冷水，
故答案為：Li₂SO₄；H₂SO₄；降低Li₂CO₃的溶解度，減少溶解；
（4）①M(fèi)nO₂和Li₂CO₃按4：1的物質(zhì)的量之比配料，高溫下可生成LiMn₂O₄，反應(yīng)的離子方程式為8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑，
故答案為：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑；
②由表中數(shù)據(jù)可知，700～750℃，w（Mn²⁺）逐漸減小，w（Mn⁴⁺）增大，而800～850℃w（Mn²⁺）逐漸增大，w（Mn⁴⁺）減小，可說(shuō)明錳元素的平均價(jià)態(tài)的變化趨勢(shì)是先變大，后變小，
故答案為：先變大，后變�。�

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)生產(chǎn)流程的分析判斷，流程分析，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重學(xué)生的分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椋�把握物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用是解題關(guān)鍵，答題時(shí)注意把握題給信息，難度中等．