【答案】化学工业流程大题周练

化学工业流程大题周练（以锰为载体）10
1. 高纯度锰酸锂(LiMn2O4)是锂电池重要的正极材料。工业上以碳酸锰矿(主要成分为MnCO3，另含FeO、Fe2O3、CaO等杂质)为主要原料生产锰酸锂(LiMn2O4)的工艺流程如下：

(1)为了提高碳酸锰矿浸岀的速率，在“酸浸”时可采取的措施有：_________。
(2)写出加入高锰酸钾的离子方程式________________________。
(3)“除铁”时，加入CaO的目的是__________________________________。
(4)加入MnF2为了除去溶液中的Ca2+，若控制溶液中F−浓度为3×10−3mol·L−1，则Ca2+的浓度为________mol·L−1[常温时，Ksp(CaF2)=2.7×10−11]。
(5)“合成MnO2”的化学方程式为____________________________________。
(6)“锂化”是将MnO2和Li2CO3按4∶1的物质的量比配料，球磨3～5 h，然后升温至600～750 ℃，保温24 h，自然冷却至室温得产品。
①升温到515 ℃时，开始有CO2产生，比预计碳酸锂的分解温度(723 ℃)低得多。可能的原因是_______。
②写出该反应的化学方程式：____________________________________
2. 一种利用钢铁厂烟灰(含Fe、Mn、SiO2，少量的Al2O3、CaO及MgO)制备MnCO3的工艺流程如下：

已知25℃时，下列难溶物的溶度积常数：
难溶物
CaF2
MgF2
MnCO3
Mn(OH)2
Ksp
4.0×10−11
6.4×10−9
2.2×10−11
1.9×10−13
回答下列问题：
(1)步骤(Ⅰ)浸渣的主要成分是________(填化学式)。
(2)步骤(Ⅱ)加H2O2溶液时反应的离子方程式为________；加氨水调节pH沉铁铝时，步骤(Ⅲ)应调节的pH适宜范围为________。(部分金属离子开始沉淀与沉淀完全的pH范围如下)
金属离子
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mn2+
Mg2+
沉淀pH范围
7.6∼9.6
2.7∼3.7
3.4∼5.2
8.3∼9.3
9.6∼11.1
(3)步骤(Ⅳ)用KF溶液沉钙镁时，要使c(Ca2+)、c(Mg2+)均小于1×10−6mol·L−1，则应控制反应液中c(F−)>________mol·L−1；反应MgF2(s)+Ca2+⇌CaF2(s)+Mg2+的平衡常数K=________。
(4)步骤Ⅴ沉锰时，在60℃按投料比n[(NH4)2CO3]/n(Mn2+)=2，溶液的pH对MnCO3产率的影响如图(a)所示；pH=7，按投料比n[(NH4)2CO3]/n(Mn2+)=2，反应温度对MnCO3产率的影响如图(b)所示。

①图(a)中，在pH<7.0时，pH越小产率________(填“越高”或“越低”)；在pH>7.0时，pH越大产率越低且纯度也降低，其原因是________。
②图(b)中，温度高于60℃时，温度越高产率越低且纯度也越低，主要原因是________。
3. 锰及其化合物在生产、生活中有许多用途。在实验室中模拟工业利用软锰矿(主要成分为MnO2，含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3等)制备金属锰等物质，设计流程如下：


已知部分氢氧化物的Ksp(近似值)如下表。

(1)“酸浸”前需将软锰矿粉碎的目的是_____________________；酸浸过程MnO2发生反应的离子方程式为_____________________。
(2)滤渣Ⅰ的主要成分为______________，过滤操作所需的玻璃仪器有___________________________。
(3)向滤液Ⅰ中需先加A物质，再加B物质，若加入的物质均为非金属化合物的溶液，则A为_____________________(填化学式)，B为________________(填名称)。
(4)测得滤液Ⅰ中c(Mn2+)=0.1 mo/L，则加入B调节溶液pH范围为______________。(已知：当某种离子浓度小于1×10−5mo/L时，可认为其沉淀完全，结果保留两位小数)
(5)“沉锰”过程中加入氨水的目的是(从化学平衡移动的角度解释)_____________________。
4. 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备，工艺如图所示。回答下列问题：

相关金属离子[c(Mn+)=0.1 mol⋅L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：
金属离子
Mn2+
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mg2+
Zn2+
Ni2+
开始沉淀的pH
8.1
6.3
1.5
3.4
8.9
6.2
6.9
沉淀完全的pH
10.1
8.3
2.8
4.7
10.9
8.2
8.9
(1)“滤渣1”含有S和________________；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式___________________________________________________________。
(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是__________________________________。
(3)“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为____～6之间。
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“滤渣3”的主要成份是________________。
(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+.若溶液酸度过高，Mg2+沉淀不完全，原因是______________________________________________________________。
(6)写出“沉锰”的离子方程式______________________________________________。
(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4.当x=y=13时，z=____。
5. 锰及其化合物在生产、生活中有许多用途。在实验室中模拟工业利用软锰矿(主要成分为MnO2，含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3等)制备金属锰等物质，设计流程如下：

 已知：部分氢氧化物的Ksp(近似值)如下表。
物质
Mn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ksp
10−13
10−17
10−39
10−33
(1)“酸浸”前需将软锰矿粉碎的目的是________________；酸浸过程MnO2发生反应的离子方程式为_______________________。
(2)滤渣Ⅰ的主要成分为______________，过滤操作所需的玻璃仪器有________________。
(3)向滤液I中需先加A物质，再加B物质，若加入的物质均为非金属化合物的溶液，则A为_________________(填化学式)，B为_______________(填名称)。
(4)测得滤液I中c(Mn2+)=0.1mol/L，则加入B调节溶液pH范围为_______________。(已知：当某种离子浓度小于1×10−5mol/L时，可认为其沉淀完全。结果保留两位小数)
(5)“沉锰”过程中加入氨水的目的是(从化学平衡移动的角度解释)__________________________。
6. 镍钴锰酸锂电池是一种高功率动力电池。采用废旧锂离子电池回收工艺制备镍钴锰酸锂三元正极材料(铝电极表面涂有LiNi1−x−yCoxMnyO2)的工艺流程如图所示：

回答下列问题
(1)废旧锂离子电池拆解前进行“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是_______。
(2)能够提高“碱浸”效率的方法有______(至少写两种)。
(3)“碱浸”过程中，铝溶解的离子方程式为_____。
(4)实验室模拟“碱浸”后过滤的操作，过滤后需洗涤，简述洗涤的操作过程：_____。
(5)LiCoO2参与“还原”反应的离子方程式为_______。
(6)溶液温度和浸渍时间对钴的浸出率影响如图所示：则浸出过程的最佳条件是______。

(7)已知溶液中Co2+的浓度为1.0mol·L−1，缓慢通入氨气，使其产生Co(OH)2沉淀，则Co2+沉淀完全时溶液的最小pH为______(已知：离子沉淀完全时c(Co2+)≤1.0×10−5mol·L−1，Ksp[Co(OH)2]=4.0×10−15，1g5=0.7，1g2=0.3，溶液体积变化忽略不计)。
7. 氯化铵焙烧菱锰矿制备高纯度碳酸锰的工艺流程如下：

已知：①菱锰矿石主要成分是MnCO3，还含有少量Fe、Al、Ca、Mg等元素；
②相关金属离子[c(Mn+)=0.1 mol·L−1]形成氯氧化物沉淀时的pH如下：
金属离子
Al3+
Fe3+
Fe2+
Ca2+
Mn2+
Mg2+
开始沉淀的pH
3.8
1.5
6.3
10.6
8.8
9.6
沉淀完全的pH
5.2
2.8
8.3
12.6
10.8
11.6
③常温下，CaCl2、MnCl2的溶度积分别为1.46×10−10、7.42×10−11
回答下列问题：
(1)“焙烧”时发生的主要化学反应方程式为______________________________________。
(2)分析下列图1、图2、图3，氯化铵焙烧菱镁矿的最佳条件是：

焙烧温度_______，氯化铵与菱镁矿粉的质量之比为________，焙烧时间为_________。
(3)浸出液“净化除杂”过程如下：首先加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+，反应的离子方程式为________________________________________；然后调节溶液pH使Fe3+、Al3+沉淀完全，此时溶液的pH范围为___________________________。再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+，当c(Ca2+)=1.0×10−5mol·L−1时，c(Mg2+)=__________________mol·L−1。
(4)碳化结晶时，发生反应的离子方程式为________________________________________。
(5)流程中能循环利用的固态物质是____________。
8. 硫酸锰是一种重要的化工中间体，是锰行业研究的热点。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下：
已知：

①“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO。
②金属离子在水溶液中的平衡浓度与pH的关系如图所示(25℃)：

③此实验条件下Mn2+开始沉淀的pH为7.54；离子浓度≤10-5mol·L-1时，离子沉淀完全。请回答：
(1)传统工艺处理高硫锰矿时，不经“混合焙烧”，而是直接用H2SO4浸出，其缺点为___________。
(2)“氧化”时，发生反应的离子方程式为______________________。若省略“氧化”步骤，造成的后果是________________________________。
(3)“中和除杂”时，生成沉淀的主要成分为______________________(填化学式)。
(4)“氟化除杂”时，若使溶液中的Mg2+和Ca2+沉淀完全，需维持c(F-)不低于___________。(已知：Ksp(MgF2)=6.4×10-10；Ksp(CaF2)=3.6×10-12)
(5)“碳化结晶”时，发生反应的离子方程式为______________________。
(6)“系列操作”指___________、过滤、洗涤、干燥
(7)用惰性电极电解MnSO4溶液可制备MnO2，电解过程中阳极的电极反应式为___________。
9. 一水硫酸锰(MnSO4⋅H2O)是一种重要的化工中间体，工业上可由高铁菱锰矿(主要成分为MnCO3，含有FeCO3、Al2O3、MgO、CaO、SiO2等杂质)制备，部分工艺流程如下：
相关金属离子[c(Mn+)=0.1 mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：
金属离子
Mn2+
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mg2+
开始沉淀的pH
8.1
6.3
1.5
3.4
8.9
沉淀完全的pH
10.1
8.3
2.8
4.7
10.9
(1)“酸浸”时高铁菱锰矿需要粉碎，并进行充分搅拌，为提高锰的浸出率还可采取的措施有_________。(写出其中一种)
(2)“氧化”时发生反应的化学方程式为________。
(3)“调pH”范围至5∼6，得到滤渣2的主要成分除MnO2外还有_________。
(4)“除杂”过程中加入MnF2的目的是_________。已知：Ksp(MgF2)=5.16×10−11，Ksp(CaF2)=5.3×10−9。
(5)“沉锰”过程中发生反应的离子方程式为_______。
(6)MnSO4在水中的溶解度与温度关系如图。

由MnCO3获得较纯净的MnSO4⋅H2O晶体的方法是：将MnCO3溶于_________，控制温度为_________以上结晶，得到MnSO4⋅H2O晶体，洗涤、烘干。晶体烘干时温度不能过高的原因是_________。
10. 硫酸锰是一种重要的化工中间体，是锰行业研究的热点。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下：

已知：
①“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO。
②金属离子在水溶液中的平衡浓度与pH的关系如图所示(25℃)：

③此实验条件下Mn2+开始沉淀的pH为7.54；离子浓度≤10−5mol·L−1时，离子沉淀完全。请回答：
(1)传统工艺处理高硫锰矿时，不经“混合焙烧”，而是直接用H2SO4浸出，其缺点为___________。
(2)“氧化”时，发生反应的离子方程式为______________________。若省略“氧化”步骤，造成的后果是________________________________。
(3)“中和除杂”时，生成沉淀的主要成分为______________________(填化学式)。
(4)“氟化除杂”时，若使溶液中的Mg2+和Ca2+沉淀完全，需维持c(F−)不低于___________。(已知：Ksp(MgF2)=6.4×10−10；Ksp(CaF2)=3.6×10−12)
(5)“碳化结晶”时，发生反应的离子方程式为______________________。
(6)“系列操作”指___________、过滤、洗涤、干燥
(7)用惰性电极电解MnSO4溶液可制备MnO2，电解过程中阳极的电极反应式为___________。
答案和解析
1.【答案】(1)升温、增大硫酸的浓度或将碳酸锰矿研成粉末等；
(2)MnO4−+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O；
(3)调节溶液的pH，使Fe3+完全转化为Fe(OH)3沉淀而除去；
(4) 3×10−6；
(5) MnSO4+K2S2O8+2H2O=MnO2↓+K2SO4+2H2SO4；
(6) ①MnO2是催化剂，加快了碳酸锂分解；
②8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。

【解析】【分析】
本题考查物质分离和提纯，涉及氧化还原反应、基本操作、溶度积等知识综合性较强，明确基本化学原理及基本操作、基本计算是解本题关键，熟悉流程图中基本操作方法及发生的反应，题目难度中等。
【解答】
向碳酸锰矿(主要成分为MnCO3，另含FeO、Fe2O3、CaO等杂质)中加入硫酸，发生MnCO3+H2SO4=MnSO4+CO2↑+H2O，且三种氧化物均溶解转化为硫酸盐，向其中加高锰酸钾可氧化亚铁离子，将亚铁离子氧化为铁离子，加CaO调节pH可使铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤后，向滤液中加入MnF2是为了除去溶液中的Ca2+，过滤后发生MnSO4+K2S2O8+2H2O=MnO2↓+K2SO4+2H2SO4，最后发生8MnO2+2Li2CO3  4LiMn2O4+2CO2↑+O2↑，以此来解答。
(1)根据影响化学反应速率得到因素，在“酸浸”时可采取的措施有升温、搅拌、增加硫酸浓度以及将碳酸锰矿粉碎等，
故答案为：升温、增大硫酸的浓度或将碳酸锰矿研成粉末等；
(2)加高锰酸钾可氧化亚铁离子，将亚铁离子氧化为铁离子，反应的离子方程式为MnO4−+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O，
故答案为：MnO4−+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O；
(3)CaO与水反应生成Ca(OH)2，能与H+反应，进而调节溶液pH，使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀而被除去，
故答案为：调节溶液的pH，使Fe3+完全转化为Fe(OH)3沉淀而除去；
(4)根据常温时CaF2的溶度积常数为2.7×10−11可知，溶液中F−浓度为3×10−3 mol⋅L−1，则Ca2+的浓度为2.7×10−11(3×10−3)2=3×10−6 mol/L，
故答案为：3×10−6；
(5)MnSO4、K2S2O8、H2O反应生成MnO2、K2SO4、H2SO4，所以“合成MnO2”的化学方程式为：
MnSO4+K2S2O8+2H2O=MnO2↓+K2SO4+2H2SO4，
故答案为：MnSO4+K2S2O8+2H2O=MnO2↓+K2SO4+2H2SO4；
(6)①升温到515℃时，开始有CO2产生，同时生成固体A，由于二氧化锰是催化剂，加快了碳酸锂分解，比预计碳酸锂的分解温度(723℃)低很多，
故答案为：MnO2是催化剂，加快了碳酸锂分解；
②MnO2和Li2CO3反应后只有Mn的价态降低，必然有元素的化合价升高，C元素处在最高价态，不能升高，则只能是O元素价态升高，所以还有O2生成．该反应的方程式为：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑，
故答案为：8MnO2+2Li2CO34LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。
2.【答案】(1)SiO2；
(2)2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O；5.2～8.3；
(3)0.08；160；
(4)①越低；部分MnCO3转化为溶解度更小的Mn(OH)2
②温度越高MnCO3水解程度越大【或温度升高，(NH4)2CO3和MnCO3也会热分解】

【解析】【分析】
本题考查物质分离和提纯，为高频考点，涉及溶度积常数计算、产率及纯度与pH的关系、盐类水解、氧化还原反应等知识点，明确实验原理是解本题关键，知道涉及的操作方法及发生的反应，难点是溶度积常数计算，题目难度中等。
【解答】
(1)Fe、Mn、SiO2、Al2O3、CaO、MgO中只有SiO2不能与浓硫酸反应，反应完毕过滤后得到的浸渣为SiO2，故答案为：SiO2。
(2)H2O2将Fe2+氧化为Fe3+，同时生成H2O，反应的离子方程式为：2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O。沉淀Al3+时Mn2+不能沉淀，Al3+完全沉淀的pH为5.2，Mn2+刚好沉淀时的pH为8.3，则pH适宜范围为5.2～8.3，故答案为：2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O；5.2～8.3。
(3)根据Ksp，沉淀Ca2+、Mg2+时需控制生成MgF2的c(F―)>6.4×10−91.0×10−6=0.08mol/L。反应MgF2(s)+Ca2+⇌CaF2(s)+Mg2+的平衡常数K=Ksp(MgF2)Ksp(CaF2)=6.4×10−94.0×10−11=160。故答案为：0.08；160；
(4)①pH<7为酸性溶液，(NH4)2CO3和MnCO3都能与H+反应导致损耗，所以pH越小产率越低。根据Ksp，Mn(OH)2的溶解度小于MgCO3，pH >7时，MgCO3转化为更难溶的Mn(OH)2，所以pH越大产率越低且纯度也降低，故答案为：越低；部分MnCO3转化为溶解度更小的Mn(OH)2；
②温度升高MnCO3的水解程度增大，产率和纯度降低，同时(NH4)2CO3和MnCO3在温度较高下也分解导致产率和纯度降低，故答案为：温度越高MnCO3水解程度越大【或温度升高，(NH4)2CO3和MnCO3也会热分解】
3.【答案】(1)增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；MnO2+2Fe2++4H+ Mn2++2Fe3++2H2O；
(2) SiO2；漏斗、烧杯、玻璃棒；
(3)H2O2；氨水；
(4)4.67≤pH<8.00(或 4.67 (5)Mn2++HCO3−⇌MnCO3+H+，氨水消耗了 H+，促进反应平衡正向移动，有利于MnCO3的生成。

【解析】【分析】
这是一道化学工艺流程题，综合考查了物质的分离和提纯的方法，沉淀溶解平衡及计算等，难度较大。
【解答】
(1)将软锰矿粉碎的目的是增大反应物的接触面积，加快反应速率，提高原料利用率 ，“酸浸”中MnO2在酸性条件下被Fe2+还原为Mn2+，Fe2+被氧化生成Fe3+，MnO2+2Fe2++4H+Mn2++2Fe3++2H2O，
故答案为：增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；MnO2+2Fe2++4H+Mn2++2Fe3++2H2O；
(2)铁锰矿中加硫酸后MnO2、Fe2O3和Al2O3等均溶解，生成对应的离子，SiO2不溶解，过滤后滤渣Ⅰ的主要成分为SiO2，过滤操作所需的玻璃仪器有漏斗、烧杯、玻璃棒，
故答案为：SiO2；漏斗、烧杯、玻璃棒；
(3)除去杂质离子，A为双氧水，将Fe2+氧化为Fe3+，然后加弱碱氨水使Fe3+、Al3+一并沉淀除去，滤渣Ⅱ为Fe(OH)3、 Al(OH)3 ，若加入的物质均为非金属化合物的溶液，则A为H2O2，B为氨水，
故答案为：H2O2；氨水；
(4)实验目的是让Fe3+、Al3+沉淀除去，而Mn2+不能沉淀，当Fe3+完全沉淀时，c(OH−)=3Ksp[Fe(OH)3]c(Fe3+)=310−3910−5=10−11.33mol/L，c(H+)=Kwc(OH−)=10−2.67mol/L，pH=2.67，当Al3+完全沉淀时，c(OH−)=3Ksp[Al(OH)3]c(Al3+)=310−3310−5=10−9.33mol/L，c(H+)=Kwc(OH−)=10−4.67mol/L，pH=4.67，故当二者均完全沉淀时，pH大于等于4.67，Mn2+开始沉淀时，c(OH−)=Ksp[Mn(OH)2]c(Mn2+)=10−130.1=10−6mol/L，c(H+)=Kwc(OH−)=10−8mol/L，pH=8.00，为了不让Mn2+沉淀，pH<8，
故答案为：4.67≤pH<8.00(或 4.67 (5)沉锰”过程中存在如下平衡：Mn2++HCO3−MnCO3+H+，加入氨水，消耗了 H+，平衡右移，有利于MnCO3的生成 ，
故答案为：Mn2++HCO3−⇌MnCO3+H+，氨水消耗了 H+，促进反应平衡正向移动，有利于MnCO3的生成 。

4.【答案】(1)SiO2(或不溶性硅酸盐)；MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；
(2)将Fe2+氧化为Fe3+； 
(3)4.7；  
(4)NiS和ZnS；
(5)F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2⇌Mg2++2F−平衡向右移动；
(6)Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；  
(7)13

【解析】【分析】
本题考查物质制备，涉及物质分离提纯、难溶物的溶解判断、pH判断、氧化还原反应等知识点，综合性较强，明确流程图中发生的反应、各物质成分及其性质、化学反应原理是解本题关键，注意结合问题分析解答，题目难度中等。
【解答】
硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)，MnS矿和MnO2粉加入稀硫酸，MnO2具有氧化性，二者发生氧化还原反应生成MnSO4、S，同时溶液中还有难溶性的SiO2及难溶性的硅酸盐，所以得到的滤渣1为SiO2和S和难溶性的硅酸盐；然后向滤液中加入MnO2，MnO2氧化还原性离子Fe2+生成Fe3+，再向溶液中通入氨气调节溶液的pH除铁和铝，所以滤渣2为Fe(OH)3、Al(OH)3，“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，加入的Na2S和Zn2+、Ni2+反应生成硫化物沉淀，所以滤渣3为NiS和ZnS，“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+，所以滤渣4为MgF2，最后向滤液中加入碳酸氢铵得到MnCO3沉淀，用稀硫酸溶解沉淀得到硫酸锰MnCO3，
(1)“滤渣1”含有S和难溶性的二氧化硅或硅酸盐；“溶浸”中二氧化锰与硫化锰发生氧化还原反应生成锰离子、S和水，离子方程式为MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；
故答案为：SiO2(不溶性硅酸盐)；MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；
(2)MnO2具有氧化性，能氧化还原性离子Fe2+生成Fe3+，从而在调节pH时除去这两种离子；
故答案为：将Fe2+氧化为Fe3+；
(3)“调pH”除铁和铝，溶液的pH应该大于这两种离子完全沉淀所需pH且小于其它离子生成沉淀的pH值，在pH=4.7时Fe3+和Al3+沉淀完全，在pH=6.2时Zn2+开始产生沉淀，为了只得到氢氧化铝和氢氧化镁沉淀，需要溶液的pH范围为4.7～6之间；
故答案为：4.7；
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，这两种离子和硫离子生成硫化物沉淀，所以滤渣3为NiS和ZnS；
故答案为：NiS和ZnS；
(5)溶液中存在MgF2的溶解平衡，如果溶液酸性较强，生成弱电解质HF而促进氟化镁溶解，即F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2⇌Mg2++2F−平衡向右移动，所以镁离子沉淀不完全；
故答案为：F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2⇌Mg2++2F−平衡向右移动；
(6)“沉锰”时锰离子和碳酸氢根离子反应生成碳酸锰沉淀，同时还生成水、二氧化碳，离子方程式为Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
故答案为：Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4.当x=y=13时，该化合物中各元素的化合价代数和为0，+1+(+2)×13+(+3)×13+(+4)×z+(−2)×2=0，z=13，
故答案为：13。
5.【答案】(1)增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；MnO2+2Fe2++4H+Mn2++2Fe3++2H2O；
(2)SiO2；漏斗、烧杯、玻璃棒；
(3)H2O2；氨水；
(4)4.67≤pH<8.00(或 4.67 (5)Mn2++HCO3−⇌MnCO3+H+，氨水消耗了H+，促进反应平衡正向移动，有利于MnCO3的生成

【解析】【分析】
这是一道化学工艺流程题，综合考查了物质的分离和提纯的方法，沉淀溶解平衡及计算等，难度较大。
【解答】
(1)将软锰矿粉碎的目的是增大反应物的接触面积，加快反应速率，提高原料利用率 ，“酸浸”中MnO2在酸性条件下被Fe2+还原为Mn2+，Fe2+被氧化生成Fe3+，MnO2+2Fe2++4H+Mn2++2Fe3++2H2O，故答案为：增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；MnO2+2Fe2++4H+Mn2++2Fe3++2H2O；
(2)铁锰矿中加硫酸后MnO2、Fe2O3和Al2O3等均溶解，生成对应的离子，SiO2不溶解，过滤后滤渣I的主要成分为SiO2，过滤操作所需的玻璃仪器有漏斗、烧杯、玻璃棒，故答案为：SiO2；漏斗、烧杯、玻璃棒；
(3)除去杂质离子，A为双氧水，将Fe2+氧化为Fe3+，然后加弱碱氨水使Fe3+、Al3+一并沉淀除去，滤渣II为Fe(OH)3、Al(OH)3，若加入的物质均为非金属化合物的溶液，则A为H2O2，B为氨水，故答案为：H2O2；氨水；
(4)实验目的是让Fe3+、Al3+沉淀除去，而Mn2+不能沉淀，当Fe3+完全沉淀时，c(OH−)=3Ksp[Fe(OH)3]c(Fe3+)=310−3910−5=10−11.33，c(H+)=Kwc(OH−)=10−1410−11.33=10−2.67mol/L，pH=2.67，当Al3+完全沉淀时，c(OH−)=3Ksp[Al(OH)3]c(Al3+)=310−3310−5=10−9.33mol/L，c(H+)=Kwc(OH−)=10−1410−9.33=10−4.67mol/L，pH=4.67，故当二者均完全沉淀时，pH大于等于4.67，Mn2+开始沉淀时，c(OH−)=Ksp[Mn(OH)2]c(Mn2+)=10−130.1=10−6mol/L，c(H+)=Kwc(OH−)=10−1410−6=10−8mol/L，pH=8.00，为了不让Mn2+沉淀，pH<8，
故答案为：4.67≤pH<8.00(或 4.67 (5)“沉锰”过程中存在如下平衡：Mn2++HCO3−⇌MnCO3+H+，加入氨水，消耗了H+，平衡右移，有利于MnCO3的生成，
故答案为：Mn2++HCO3−⇌MnCO3+H+，氨水消耗了H+，促进反应平衡正向移动，有利于MnCO3的生成 。

6.【答案】(1)放电有利于Li+向正极移动并进入正极材料
(2)粉碎、适当增大NaOH的浓度、适当升高温度等
(3) 2Al+2H2O+2OH−=2AlO2−+3H2↑
(4)沿玻璃棒向过滤器中加水至浸没沉淀，待水滤出后重复操作2∼3次
(5) 2LiCoO2+6H++H2O2=2Li++2Co2++4H2O+O2↑
(6) 75℃，30 min
(7)9.3

【解析】【分析】
本题考查有关物质的分离与提纯知识，难度较大，掌握相关分离的方法及物质的性质是解答的关键。
【解答】
(1)废旧锂离子电池拆解前进行“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是放电有利于Li+向正极移动并进入正极材料，故答案为：放电有利于Li+向正极移动并进入正极材料；
(2)能够提高碱浸效率的方法有减小原料粒径(或粉碎)、适当增加NaOH溶液浓度、适当升高温度、搅拌、多次浸取等，故答案为：粉碎、适当增大NaOH的浓度、适当升高温度等；
(3)碱浸”过程中，铝溶解的离子方程式应为2Al+2H2O+2OH−=2AlO2−+3H2↑，故答案为：2Al+2H2O+2OH−=2AlO2−+3H2↑；
(4)过滤后需洗涤，洗涤的操作过程为沿玻璃棒向过滤器中加水至浸没沉淀，待水滤出后重复操作2∼3次；故答案为：沿玻璃棒向过滤器中加水至浸没沉淀，待水滤出后重复操作2∼3次；
(5)LiCoO2参与“还原”反应是利用双氧水还原+3价Co为+2价，离子方程式为2LiCoO2 + 6H++H2O2=2Li++2Co2++4H2O+O2↑，故答案为：2LiCoO2 + 6H++H2O2=2Li++2Co2++4H2O+O2↑；
(6)从图可知 75℃、30 min时钴的浸出率达较大值，之后变化不大，故为 75℃、30 min，故答案为： 75℃、30 min；、
(7) Ksp[Co(OH)2] = c(Co2+)·c2(OH−)
c(OH−)=Ksp[Co(OH)2]c(Co2+)=4.0×10−151.0×10−5mol/L=2×10−5 mol/L
c(H+)=Kwc(OH−)=10−142×10−5mol/L=5×10−10mol/L
，故答案为：9.3。
7.【答案】(1)MnCO3+2NH4Cl=ΔMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O
(2)500℃；1.10；60min
(3)MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O；5.2≤pH<8.8；5.0×10−6
(4)Mn2++2HCO3−=ΔMnCO3↓+CO2↑+H2O
(5)NH4Cl

【解析】【分析】
本题考查了物质制备流程和方案的分析判断，物质性质的应用，题干信息的分析理解，结合题目信息对流程的分析是本题的解题关键，需要学生有扎实的基础知识的同时，还要有处理信息应用的能力，注意对化学平衡常数的灵活运用，综合性强，题目难度中等。
【解答】
根据流程：将菱镁矿粉(主要成分是MnCO3，还含有少量Fe、Al、Ca、Mg等元素)与氯化铵混合研磨后焙烧：MnCO3+2NH4Cl=ΔMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O，浸出，浸出液含有Mn2+、Fe2+、Al3+、Ca2+、Mg2+，加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+：MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O，然后调节溶液pH范围5.2≤pH<8.8使Fe3+，A13+沉淀完全，再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+，过滤除去Fe(OH)3、Al(OH)3、CaF2、MgF2，净化液的成分主要含有MnCl2，加入碳酸氢铵碳化结晶，发生反应：Mn2++2HCO3−=ΔMnCO3↓+CO2↑+H2O，过滤，得到MnCO3产品和滤液NH4Cl，将滤液NH4Cl蒸发结晶得到NH4Cl晶体可循环使用，据此分析作答。
(1)根据流程，菱镁矿粉与氯化铵混合研磨后焙烧得到氨气、二氧化碳和Mn2+，主要化学反应方程式为：MnCO3+2NH4Cl=ΔMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；
故答案为：MnCO3+2NH4Cl=ΔMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；
(2)由图可知，锰的浸出率随着焙烧温度、氯化铵与菱镁矿粉的质量之比、焙烧时间增大而提高，到500℃、1.10、60min达到最高，再增大锰的浸出率变化不明显，故氯化铵焙烧菱镁矿的最佳条件是焙烧温度500℃，氯化铵与菱镁矿粉的质量之比为1.10，焙烧时间为60min；
故答案为：500℃；1.10；60min；
(3)浸出液含有Mn2+、Fe2+、Al3+、Ca2+、Mg2+，加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+：MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O；然后调节溶液pH使Fe3+，A13+沉淀完全，同时不使Mn2+沉淀，根据表可知调节溶液pH范围5.2≤pH<8.8，再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+，已知：CaF2、MgF2的溶度积分别为1.46×10−10、7.42×10−11，当c(Ca2+)=1.0×10−5mo1⋅L−1时，c2(F−)=Ksp(CaF2)c(Ca2+)=1.46×10−5mol/L，c(Mg2+)=Ksp(MgF2)c2(F−)=5.0×10−6mol/L；
故答案为：MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O；5.2≤pH<8.8；5.0×10−6；
(4)净化液的成分主要含有MnCl2，碳化结晶时，发生反应的离子方程式为Mn2++2HCO3−=ΔMnCO3↓+CO2↑+H2O；
故答案为：Mn2++2HCO3−=ΔMnCO3↓+CO2↑+H2O；
(5)根据分析和流程可知，可以循环使用的固体物质是NH4Cl；
故答案为：NH4Cl。
8.【答案】(1)产生硫化氢等气体，污染环境；
(2)MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O；Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全，影响产品纯度)
(3)Fe(OH)3、Al(OH)3；
(4)8×10−3mol·L−1；
(5)Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
(6)蒸发浓缩、冷却结晶；
(7)Mn2++2H2O−2e−= MnO2+4H+。

【解析】【分析】
本题是有关物质的制备的工艺流程题，围绕目标产物，分析每一步的实验目的是关键。
【解答】
(1)由于高硫锰矿中含有FeS，会与H2SO4反应生成硫化氢，硫化氢有毒，故答案为：产生硫化氢等气体，污染环境；
(2)用H2SO4浸出后溶液的溶质有：H2SO4、MnSO4、Fe2(SO4)3、FeSO4、Al2(SO4)3、MgSO4，“中和除杂”时需除去Fe2+、Fe3+、Al3+，由题中金属离子在水溶液中的平衡浓度与pH的关系图可知： Fe2+沉淀完全的pH为7.95，而Mn2+开始沉淀的pH为7.54，Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，所以“氧化”过程用MnO2将Fe2+氧化为Fe3+，自身被还原为Mn2+，离子方程式为MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O，故答案为：MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O；Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全，影响产品纯度)；
(3)“中和除杂”的目的是除去Fe3+、Al3+，“中和除杂”时，生成沉淀的主要成分为Fe(OH)3、Al(OH)3，故答案为：Fe(OH)3、Al(OH)3；
(4)由题中信息可知：Ksp(MgF2)>Ksp(CaF2)，当Mg2+沉淀完全时，Ca2+已经沉淀完全，所以应以Mg2+进行计算，当c(Mg2+)=10−5 mol·L−1，根据Ksp(MgF2)=c(Mg2+)×c2(F−)计算得c(F−)=8×10−3 mol·L−1，故答案为：8×10−3 mol·L−1；
(5)“氟化除杂”后溶液中阳离子为Mn2+，“酸溶”的是沉淀，所以“碳化结晶”是将Mn2+转化为MnCO3沉淀，离子方程式为Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O，故答案为：Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
(6)“酸溶”后溶液中的溶质为MnSO4，所以从溶液中得到MnSO4·4H2O应蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
(7)Mn2+失去电子转化为MnO2，阳极的电极反应式为Mn2++2H2O−2e−= MnO2+4H+，故答案为：Mn2++2H2O−2e−= MnO2+4H+。
9.【答案】(1)升高温度或适当增大硫酸浓度
(2)2FeSO4 + MnO2 + 2H2SO4= Fe2(SO4)3 + MnSO4 + 2H2O
(3)Al(OH)3、Fe(OH)3
(4)除去Ca2+ 和Mg2+
(5)Mn2+ + HCO3− + NH3⋅H2O = MnCO3↓ + NH4+ + H2O
(6)适量的稀硫酸；90℃；防止MnSO4⋅H2O失去结晶水

【解析】【分析】
本题考查了物质的制备，涉及了工业流程、离子方程式、ksp的计算等知识点，综合性强，掌握基础是关键，注意题目信息的读取，题目难度较大。
【解答】
高铁菱锰矿(主要成分为MnCO3，含有FeCO3、Al2O3、MgO、CaO、SiO2等杂质)，酸浸生成MnSO4、硫酸亚铁、硫酸铝、硫酸镁、硫酸钙，滤渣为二氧化硅，滤液中加入二氧化锰，氧化亚铁离子生成铁离子，得到Mn2+、Ca2+、Fe3+、Mg2+、Al3+的酸性溶液，加入氨水，“调pH”范围至5∼6，得到滤渣2的主要成分除MnO2外还有Al(OH)3、Fe(OH)3，加入MnF2除杂，使溶液中的Ca2+、Mg2+沉淀完全，此时溶液中的金属离子为锰离子，加入碳酸铵发生Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O，
(1)提高锰的浸出率还可采取的措施有：升高温度或适当增大硫酸浓度；
(2)加入二氧化锰将亚铁离子氧化为铁离子，反应的化学方程式为：2FeSO4 + MnO2 + 2H2SO4= Fe2(SO4)3 + MnSO4 + 2H2O；
(3)“调pH”范围至5∼6，得到滤渣2的主要成分除MnO2外还有Al(OH)3、Fe(OH)3；
(4)Ksp(MgF2)=5.16×10−11，Ksp(CaF2)=5.3×10−9。“除杂”过程中加入MnF2的目的是：除去Ca2+ 和Mg2+；
(5)“沉锰”过程中发生反应的离子方程式为Mn2+ + HCO3− + NH3⋅H2O = MnCO3↓ + NH4+ + H2O；
(6)由MnCO3获得较纯净的MnSO4⋅H2O晶体的方法是：将MnCO3溶于适量的稀硫酸；据图像知控制温度为90℃(溶解度小)以上结晶，得到MnSO4⋅H2O晶体，洗涤、烘干。晶体烘干时温度不能过高的原因是：防止MnSO4⋅H2O失去结晶水。
10.【答案】(1)产生硫化氢等气体，污染环境  
(2)MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O； Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全，影响产品纯度)
(3)Fe(OH)3、Al(OH)3  
(4) 8×10−3mol⋅L−1  
(5)Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O  
(6)蒸发浓缩、冷却结晶  
(7) Mn2++2H2O−2e−=MnO2+4H+

【解析】【分析】
本题考查了物质的制备，涉及了工业流程、离子方程式、ksp的计算等知识点，综合性强，掌握基础是关键，注意题目信息的读取，题目难度中等。
【解答】
(1)高锰矿含有FeS，传统工艺处理高硫锰矿时，不经“混合焙烧”，而是直接用H2SO4浸出，产生硫化氢等气体，污染环境；
故答案为：产生硫化氢等气体，污染环境；
(2)氧化时用二氧化锰氧化亚铁离子，离子方程式为：MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O；若省略“氧化”步骤，根据图表Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全，影响产品纯度)；
故答案为：MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O；Fe2+与Mn2+沉淀区有重叠，造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全，影响产品纯度)；
(3)“中和除杂”时，铁离子与铝离子与加入的碳酸根离子之间发生双水解反应得到Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀；
故答案为：Fe(OH)3、Al(OH)3；
(4)已知：Ksp(MgF2)=6.4×10−10，若使溶液中的Mg2+沉淀完全，需维持c(F−)不低于6.4×10−101×10−5mol/L=8×10−3 mol⋅L−1；
故答案为：8×10−3 mol⋅L−1；
(5)“碳化结晶”时，发生反应的离子方程式为：Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
故答案为：Mn2++2HCO3−=MnCO3↓+CO2↑+H2O；
(6)硫酸锰溶液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到硫酸锰的水合物；
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
(7)用惰性电极电解MnSO4溶液可制备MnO2，电解过程中阳极发生氧化反应，元素化合价升高，故为硫酸锰失去电子生成二氧化锰，电极反应式为Mn2++2H2O−2e−=MnO2+4H+；
故答案为：Mn2++2H2O−2e−=MnO2+4H+。