Question

8．隨著能源問題的進一步突出，利用熱化學循環制氫的研究受到許多發達國家的青睞．最近的研究發現，復合氧化物鐵酸錳（MnFe₂O₄）也可以用于熱化學循環分解水制氫，MnFe₂O₄的制備流程如下：

（1）原料Fe（NO₃）_n中n=3，投入原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的物質的量之比應為2：1．
（2）步驟二中“連續攪拌”的目的是充分反應、沉淀完全；步驟三中洗滌干凈的標準是洗滌至流出液呈中性．
（3）利用MnFe₂O₄熱化學循環制氫的反應可表示為：
MnFe₂O₄$\frac{\underline{\;＞1000K\;}}{\;}$MnFe₂O_4-x+$\frac{x}{2}$O2↑
MnFe₂O₄+xH₂O═MnFe₂O₄+xH₂↑
請認真分析上述兩個反應并回答下列問題：
①若MnFe₂O_4-x中x=0.8，則MnFe₂O_4-x中Fe²⁺占全部鐵元素的百分比為80%．
②該熱化學循環法制氫的優點有（答兩點即可）過程簡單、無污染、物料廉價并可循環使用及氧氣和氫氣在不同步驟生成，因此不存在高溫氣體分離的問題等．
③該熱化學循環法制氫尚有不足之處，進一步改進的研究方向是尋找合適的催化劑，使MnFe₂O₄分解溫度降低或找分解溫度更低的氧化物．

Answer 1

分析 （1）根據MnFe₂O₄的制備流程，可知Mn、Fe的化合價未變，Mn（NO₃）₂中Mn的化合價為+2，則MnFe₂O₄中Fe的化合價為+3，從而求出Fe（NO₃）_n中的n，
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的個數之比為1：2，根據質量守恒，求出原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的物質的量之比；
（2）根據攪拌的通常目的和判斷沉淀是否洗滌干凈的方法來解答；
（3）①根據鐵的總價態不變，用方程組來解決；
②從可操作性、環保以及原料的價格等方面分析；
③改進方法可從流程簡潔方面考慮．

解答 解：（1）Mn為+2價，則MnFe₂O₄中Fe的化合價為+3價，則Fe（NO₃）_n中n=3；
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的個數之比為2：1，所以Fe（NO₃）₃與Mn（NO₃）₂ 二者的物質的量之比 2：1，
故答案為：3；2：1；
（2）連續攪拌是為了讓Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂充分反應，由于溶液顯堿性，則洗滌至洗滌液為中性時，說明沉淀上沒有溶液中的離子，即沉淀已經洗滌干凈，
故答案為：充分反應、沉淀完全；洗滌至流出液呈中性；
（3）①x=0.8時，鐵的總價態為（4-0.8）×2-2=4.4，設1mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺、Fe³⁺物質的量分別為xmol、ymol，則有
$\left\{\begin{array}{l}{x+y=2}\\{2x+3y=4.4}\end{array}\right.$，解得：x=1.6，y=0.4，
則1 mol MnFe₂O_4-0.8中含Fe²⁺的物質的量為1.6 mol，則Fe²⁺占的百分率為$\frac{1.6}{2}$×100%=80%，
故答案為：80%；
②由流程圖可以看出過程簡單、節約能量、無污染、物料廉價并可循環使用及氧氣和氫氣在不同步驟生成，不存在高溫氣體分離的問題等，
故答案為：過程簡單、節約能量、無污染、物料廉價并可循環使用及氧氣和氫氣在不同步驟生成，不存在高溫氣體分離的問題等；
③因高溫消耗較多的能源，則尋找合適的催化劑，使MnFe₂O₄分解溫度降低或分解溫度更低的氧化物，
故答案為：尋找合適的催化劑，使MnFe₂O₄分解溫度降低或分解溫度更低的氧化物．

點評 本題以MnFe₂O₄的制備為載體，考查學生對工藝流程的理解、對實驗操作的理解、化學式有關計算等，難度中等，綜合性較強，涉及的知識點多，需要學生具備閱讀分析能力和靈活運用知識的解決問題能力．