Question

15．二氧化錳是制造鋅錳干電池的基本材料，工業(yè)上以軟錳礦、菱錳礦為原料來制備．某軟錳礦主要成分為MnO₂，還含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物，其處理流程圖：

化合物	Al（OH）3	Fe（OH）2	Fe（OH）3
Ksp近似值	10-34	10-16	10-38

（1）硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，酸浸時(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）“氨水、攪拌”，其中“攪拌”不僅能加快反應(yīng)速率，還能充分氧化過量的Fe²⁺；濾渣A的成分是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，加入氨水需調(diào)節(jié)pH至少達(dá)到5.3，恰好能使Fe³⁺、Al³⁺沉淀完全．
（3）濾渣B的成分是CuS、ZnS．
（4）堿性鋅錳電池中，MnO₂參與的電極反應(yīng)方程式為MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-．
（5）MnO₂也可在MnSO₄•H₂SO₄•H₂O為體系的電解液中電解獲得，其陽極電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O═MnO₂+4H⁺
（6）工業(yè)上采用間接氧化還原滴定法測(cè)定MnO₂純度，其操作過程如下：準(zhǔn)確稱量0.4600g該樣品，與足量酸性KI溶液充分反應(yīng)后，配制成100mL溶液．取其中20.00mL，恰好與25.00mL 0.0800mol•L^-1 Na₂S₂O₃溶液反應(yīng)（I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）．計(jì)算可得該樣品純度為94.6%．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調(diào)節(jié)pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）根據(jù)FeSO₄在反應(yīng)條件下將MnO₂還原為MnSO₄，則Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時(shí)生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成；
（2）加入氨水?dāng)嚢杓涌旆磻?yīng)速率，生成的氫氧化亞鐵充分氧化，加入氨水需調(diào)節(jié)pH至少達(dá)到5.4沉淀鐵離子和鋁離子；
（3）根據(jù)工藝流程及硫化物的K_sp判斷；
（4）根據(jù)反應(yīng)式Zn+2MnO₂+2H₂O═Zn（OH）₂+2MnOOH可知，在反應(yīng)中Zn元素化合價(jià)升高，被氧化，Zn為負(fù)極反應(yīng)，Mn元素化合價(jià)降低，被還原，MnO₂為正極反應(yīng)；
（5）陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，錳由+2價(jià)變成+4價(jià)；
（6）樣品中二氧化錳與足量酸性KI溶液充分反應(yīng)后，MnO₂+2I^-+2H⁺=Mn²⁺+I₂+H₂O，配制成100mL溶液．取其中20.00mL，恰好與25.00mL 0.0800mol•L^-1 Na₂S₂O₃溶液反應(yīng)（I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-），則得到：MnO₂～I(xiàn)₂～2S₂O₃^2-，據(jù)此分析計(jì)算．

解答 解：軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調(diào)節(jié)pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）FeSO₄在反應(yīng)條件下將MnO₂還原為MnSO₄，F(xiàn)e²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時(shí)生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成，反應(yīng)方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案為：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）“氨水、攪拌”，其中“攪拌”不僅能加快反應(yīng)速率，還能充分氧化過量的Fe²⁺，濾渣A的成分是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，加入氨水需調(diào)節(jié)pH至少達(dá)到5.4，恰好能使Fe³⁺、Al³⁺沉淀完全，
故答案為：充分氧化過量的Fe²⁺；5.4；
（3）由題中硫化物的K_sp可知，加入MnS是為了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，濾渣B的成分是CuS、ZnS，
故答案為：CuS、ZnS；
（4）在反應(yīng)中Zn元素化合價(jià)升高，被氧化，Zn為負(fù)極反應(yīng)，負(fù)極電極反應(yīng)式為Zn+2OH^--2e^-═Zn（OH）₂，Mn元素化合價(jià)降低，被還原，MnO₂為正極反應(yīng)，正極反應(yīng)式為MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-，
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-；
（5）陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，錳由+2價(jià)變成+4價(jià)，電極反應(yīng)為Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O═MnO₂+4H⁺；
（6）準(zhǔn)確稱量0.4600g該樣品，與足量酸性KI溶液充分反應(yīng)后，MnO₂+2I^-+2H⁺=Mn²⁺+I₂+H₂O，配制成100mL溶液．取其中20.00mL，恰好與25.00mL 0.0800mol•L^-1 Na₂S₂O₃溶液反應(yīng)（I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-），
則得到：MnO₂～I(xiàn)₂～2S₂O₃^2-，
              1                    2
              n               0.025.00L×0.0800mol•L^-1×$\frac{100ml}{20ml}$
n=0.005mol，
計(jì)算可得該樣品MnO₂純度=$\frac{0.005mol×87g/mol}{0.4600g}$×100%=94.6%，
故答案為：94.6%；

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生對(duì)元素及其化合物的主要性質(zhì)的掌握、書寫電極反應(yīng)方程式、閱讀題目獲取新信息能力、對(duì)工藝流程的理解等，題目難度中等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與綜合運(yùn)用知識(shí)、信息分析解決問題能力．