13.錳是一種銀白色的脆性金屬,強度不如鐵,但把錳加到鋼鐵中,竟然能使鋼鐵的強度提高4~8倍,而且還提高了鋼的耐磨性,所以錳鋼在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國防建設(shè)中有著廣泛的用途.
用陰離子膜電解法的新技術(shù)從含有MnCO3、MnO2、FeCO3、SiO2、Al2O3等成分的錳礦石中提取金屬錳,其工藝流程如下(圖1):

已知FeCO3、MnCO3難溶于水.
(1)設(shè)備1中反應(yīng)后,濾液1里錳元素只以Mn2+的形式存在,且濾渣1中也無MnO2.則濾渣1的主要成分是SiO2(填化學(xué)式).
(2)設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的離子方程式是2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O 或2FeCO3+MnO2+8H+=2Fe3++Mn2++CO2↑+4H2O.
(3)設(shè)備2中加足量雙氧水的作用是將Fe2+完全氧化為Fe3+.設(shè)計實驗方案檢驗濾液2中是否存在Fe2+:取濾液2,加入鐵氰化鉀溶液,如果有藍色沉淀產(chǎn)生,則有Fe2+,否則沒有Fe2+
(4)設(shè)備4中加入過量氫氧化鈉溶液,沉淀部分溶解.用化學(xué)平衡移動原理解釋原因:濾渣2中存在Al(OH)3,存在電離平衡:Al3++3OH-?Al(OH)3?AlO2-+H++H2O,加入NaOH溶液,H+被中和,濃度減低,Al(OH)3不斷溶解.
(5)設(shè)備3中用陰離子膜法提取金屬錳的電解裝置如圖2:
①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向,則A電極是直流電源的負極.實際生產(chǎn)中,陽極以稀硫酸為電解液,其電極反應(yīng)式為4OH--4e-=2H2O+O2↑.
②該工藝之所以采用陰離子交換膜,是為了防止Mn2+進入陽極區(qū)發(fā)生副反應(yīng)生成MnO2造成資源浪費,寫出該副反應(yīng)的電極反應(yīng)式Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+

分析 錳礦物的主要成分有MnCO3、MnO2、FeCO3、SiO2、Al2O3等,用硫酸溶解,SiO2不硫酸反應(yīng),MnCO3、FeCO3、Al2O3與硫酸反應(yīng)得到MnSO4、FeSO4、Al2(SO43,而濾液1里錳元素只以Mn2+的形式存在,且濾渣1中也無MnO2,酸性條件下MnO2將Fe2+離子氧化為Fe3+離子,過濾除去二氧化硅等不溶物,濾渣1為SiO2等不溶物.濾液1中加入過氧化氫將Fe2+離子氧化為Fe3+離子,再加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH使Fe3+、Al3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀,過濾分離,濾液2中含有MnSO4、NH4SO4等,濾渣2為Fe(OH)3、Al(OH)3,向濾渣2中加入氫氧化鈉,氫氧化鋁溶解得到NaAlO2,過濾分離.濾液2電解得到Mn,
(1)濾渣1的主要成分是二氧化硅;
(2)設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng):二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子,二氧化硫被還原得到Mn2+;
(3)設(shè)備2中加足量雙氧水將Fe2+離子氧化為Fe3+離子;利用加入鐵氰化鉀溶液檢驗Fe2+離子;
(4)Al(OH)3存在電離平衡:Al3++3OH-?Al(OH)3?AlO2-+H++H2O,加入NaOH溶液,H+被中和,平衡正向移動,氫氧化鋁被溶解;
(5)①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向,則左室為陰極室,右室為陽極室,A為電源的負極,B為電源的陽極,陽極以稀硫酸為電解液,溶液中氫氧根離子放電生成氧氣;
②Mn2+進入陽極區(qū),發(fā)生氧化反應(yīng)生成MnO2,需要有水參與反應(yīng),根據(jù)電荷守恒可知有氫離子生成.

解答 解:錳礦物的主要成分有MnCO3、MnO2、FeCO3、SiO2、Al2O3等,用硫酸溶解,SiO2不硫酸反應(yīng),MnCO3、FeCO3、Al2O3與硫酸反應(yīng)得到MnSO4、FeSO4、Al2(SO43,而濾液1里錳元素只以Mn2+的形式存在,且濾渣1中也無MnO2,酸性條件下MnO2將Fe2+離子氧化為Fe3+離子,過濾除去二氧化硅等不溶物,濾渣1為SiO2等不溶物.濾液1中加入過氧化氫將Fe2+離子氧化為Fe3+離子,再加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH使Fe3+、Al3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀,過濾分離,濾液2中含有MnSO4、NH4SO4等,濾渣2為Fe(OH)3、Al(OH)3,向濾渣2中加入氫氧化鈉,氫氧化鋁溶解得到NaAlO2,過濾分離.濾液2電解得到Mn,
(1)根據(jù)分析可知,濾渣1的主要成分是SiO2,
故答案為:SiO2;
(2)設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng):二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子,二氧化硫被還原得到Mn2+,反應(yīng)離子方程式為:2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O 或2FeCO3+MnO2+8H+=2Fe3++Mn2++CO2↑+4H2O,
故答案為:2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O 或2FeCO3+MnO2+8H+=2Fe3++Mn2++CO2↑+4H2O;
(3)設(shè)備2中加足量雙氧水將Fe2+離子氧化為Fe3+離子,便于調(diào)節(jié)pH時轉(zhuǎn)化為沉淀除去,檢驗濾液2中是否存在Fe2+的方案為:取濾液2,加入鐵氰化鉀溶液,如果有藍色沉淀產(chǎn)生,則有Fe2+,否則沒有Fe2+,
故答案為:將Fe2+完全氧化為Fe3+;取濾液2,加入鐵氰化鉀溶液,如果有藍色沉淀產(chǎn)生,則有Fe2+,否則沒有Fe2+;
(4)根據(jù)分析可知,濾渣2中存在Al(OH)3,存在電離平衡:Al3++3OH-?Al(OH)3?AlO2-+H++H2O,加入NaOH溶液,H+被中和,濃度減低,導(dǎo)致Al(OH)3不斷溶解,
故答案為:濾渣2中存在Al(OH)3,存在電離平衡:Al3++3OH-?Al(OH)3?AlO2-+H++H2O,加入NaOH溶液,H+被中和,濃度減低,Al(OH)3不斷溶解;
(5)①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向,則左室為陰極室,右室為陽極室,A為電源的負極,B為電源的陽極,陽極以稀硫酸為電解液,溶液中氫氧根離子放電生成氧氣,電極反應(yīng)為:4OH--4e-=2H2O+O2↑,
故答案為:負極;4OH--4e-=2H2O+O2↑;
②Mn2+進入陽極區(qū),發(fā)生氧化反應(yīng)生成MnO2,需要有水參與反應(yīng),根據(jù)電荷守恒可知有氫離子生成,該副反應(yīng)的電極反應(yīng)式:Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+,
故答案為:Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+

點評 本題通過錳的制備工藝流程,考查了制備方案的設(shè)計、閱讀題目獲取信息能力,題目難度中等,涉及物質(zhì)的分離提純、化學(xué)平衡移動、電解原理等知識,根據(jù)制備流程明確目的、實驗原理為解答關(guān)鍵,試題綜合性較大,需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)知識與綜合運用知識、信息進行解決問題的能力.

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