Question

20．最近的研究发现，复合氧化物铁酸锰（MnFe₂O₄）可以用于热化学循环分解水制氢，因而受到许多发达国家的青睐．MnFe₂O₄的制备流程如下：

（1）原料Fe（NO₃）_n中n=3，投入原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的质量之比应为484：179．
（2）步骤二中“连续搅拌”的目的是充分反应、沉淀完全；
步骤三中洗涤干净的标准最后一次洗涤液呈中性．
（3）利用MnFe₂O₄热化学循环制氢的反应可表示为
MnFe₂O₄$\frac{\underline{\;1000K\;}}{\;}$MnFe₂O_4-x+x/2O₂↑；
MnFe₂O_4-x+xH₂O→MnFe₂O₄+xH₂↑．
请认真分析上述两个反应并回答下列问题：
①若MnFe₂O_4-x中x=0.6，则MnFe₂O_4-x中Fe²⁺占全部铁元素的百分率为60%．
②该热化学循环新氢法的优点有具有过程简单、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，因此不存在高温气体分离等优点（答两点即可）．
③该热化学循环法制氢尚有不足之处，进一步改进的研究方向是寻找合适的催化剂，使MnFe₂O₄分解温度降低或找分解温度更低的氧化物．

Answer 1

分析 （1）根据MnFe₂O₄的制备流程，可知Mn、Fe的化合价未变，Mn（NO₃）₂中Mn的化合价为+2，则MnFe₂O₄中Fe的化合价为+3，从而求出Fe（NO₃）_n中的n，
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的个数之比为2：1，根据质量守恒，求出原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的质量之比；
（2）根据搅拌的通常目的和判断沉淀是否洗涤干净的方法来解答；
（3）①根据化合价代数和为0，计算MnFe₂O_4-x中铁的总价态，1mol MnFe₂O_4-0.6中含Fe²⁺、Fe³⁺物质的量分别为xmol、ymol，列方程组解答；
②从可操作性、环保以及原料的价格等方面分析；
③改进方法可从流程简洁方面考虑．

解答 解：（1）Mn为+2价，则MnFe₂O₄中Fe的化合价为+3价，则Fe（NO₃）_n中n=3；
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的个数之比为2：1，所以Fe（NO₃）₃与Mn（NO₃）₂ 二者的物质的量之比 2：1，
所以其质量之比为：242×2：179=484：179；
故答案为：3；484：179；
（2）连续搅拌是为了让Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂充分反应，由于溶液显碱性，则洗涤至洗涤液为中性时，说明沉淀上没有溶液中的离子，即沉淀已经洗涤干净；
故答案为：充分反应或沉淀完全；最后一次洗涤液呈中性；
（3）①x=0.6时，铁的总价态为（4-0.6）×2-2=4.8，
设1mol MnFe₂O_4-0.6中含Fe²⁺、Fe³⁺物质的量分别为xmol、ymol，
则有x+y=2，2x+3y=4.8，联立解得：x=1.2，y=0.8，
则1mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺的物质的量为1.2mol，则Fe²⁺占的百分率为$\frac{1.2mol}{2mol}$×100%=60%．
故答案为：60%；
②由流程图可以看出过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题等，
故答案为：过程简单、节约能量、无污染、物料廉价并可循环使用及氧气和氢气在不同步骤生成，不存在高温气体分离的问题等（答两点即可）；
③因高温消耗较多的能源，则寻找合适的催化剂，使MnFe₂O₄分解温度降低或分解温度更低的氧化物，
故答案为：寻找合适的催化剂，使MnFe₂O₄分解温度降低或分解温度更低的氧化物．

点评 本题以MnFe₂O₄的制备为载体，考查学生对工艺流程的理解、对实验操作的理解、化学式有关计算等，难度中等，综合性较强，涉及的知识点多，需要学生具备阅读分析能力和灵活运用知识的解决问题能力．