Question

5．锰酸锂（LiMn₂O₄）是新一代锂离子电池的正极材料．实验室回收利用废旧锂离子电池正极材料（锰酸锂、碳粉等涂覆在铝箔上）的一种流程如下：

（1）X的化学式为Al（OH）₃．
（2）写出“酸溶”过程中反应的离子方程式：4LiMn₂O₄+O₂+4H⁺═4Li⁺+8MnO₂+2H₂O．
（3）反应②中与Na₂CO₃反应的物质有Li₂SO₄和H₂SO₄（填化学式）；工业上洗涤Li₂CO₃用的是热水而不是冷水，其原因是降低Li₂CO₃的溶解度，减少溶解．
（4）固相法制备LiMn₂O₄的实验过程如下：将MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物质的量之比配料，球磨3～5小时，然后升温，高温加热，保温24小时，冷却至室温．
①写出该反应的化学方程式：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑．
②LiMn₂O₄中锰元素的平均价态为+3.5．在不同温度下，合成的LiMn₂O₄中Mn²⁺、Mn³⁺和Mn⁴⁺的含量与温度的关系见下表．

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

由此可以确定：在上述温度范围内，锰元素的平均价态的变化趋势是先变大，后变小．

Answer 1

分析 废旧锂离子电池正极材料加入碱溶液浸泡，铝溶解在氢氧化钠溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成偏铝酸钠，即滤液的主要成分，偏铝酸钠与二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，沉淀X为氢氧化铝，LiMn₂O₄在酸性环境下能被空气中的氧气氧化发生氧化还原反应，得到的滤液中有生成的硫酸锂，可能有过量的硫酸，最后加入碳酸钠之后所得碳酸锂，滤液主要成分为硫酸钠，
（1）偏铝酸钠与二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀；
（2）LiMn₂O₄在酸性环境下能被空气中的氧气氧化；
（3）酸溶后溶液中含有硫酸，硫酸锂，都与碳酸钠反应；碳酸锂溶解度随温度升高减小；
（4）MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物质的量之比配料，高温下可生成LiMn₂O₄，结合表中数据判断化合价的变化．

解答 解：废旧锂离子电池正极材料加入碱溶液浸泡，铝溶解在氢氧化钠溶液中（注意LiMn₂O₄不溶于水）生成偏铝酸钠，即滤液的主要成分，偏铝酸钠与二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，沉淀X为氢氧化铝，LiMn₂O₄在酸性环境下能被空气中的氧气氧化发生氧化还原反应，得到的滤液中有生成的硫酸锂，可能有过量的硫酸，最后加入碳酸钠之后所得碳酸锂，滤液主要成分为硫酸钠，
（1）通入二氧化碳，发生CO₂+AlO₂^-+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，沉淀为Al（OH）₃，故答案为：Al（OH）₃；
（2）在酸性环境下，LiMn₂O₄能被空气中的氧气氧化，离子方程式为：4 LiMn₂O₄+O₂+4H⁺=4Li⁺+8MnO₂+2H₂O，
故答案为：4LiMn₂O₄+O₂+4H⁺═4Li⁺+8MnO₂+2H₂O；
（3）酸溶后溶液中含有硫酸，硫酸锂，都与碳酸钠反应，碳酸锂溶解度随温度升高减小，则工业上洗涤Li₂CO₃用的是热水而不是冷水，
故答案为：Li₂SO₄；H₂SO₄；降低Li₂CO₃的溶解度，减少溶解；
（4）①MnO₂和Li₂CO₃按4：1的物质的量之比配料，高温下可生成LiMn₂O₄，反应的离子方程式为8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑，
故答案为：8MnO₂+2Li₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4LiMn₂O₄+2CO₂↑+O₂↑；
②由表中数据可知，700～750℃，w（Mn²⁺）逐渐减小，w（Mn⁴⁺）增大，而800～850℃w（Mn²⁺）逐渐增大，w（Mn⁴⁺）减小，可说明锰元素的平均价态的变化趋势是先变大，后变小，
故答案为：先变大，后变小．

点评 本题考查了物质生产流程的分析判断，流程分析，为高频考点，侧重学生的分析、实验能力的考查，把握物质性质的应用是解题关键，答题时注意把握题给信息，难度中等．