Question

4．MnO₂和鋅是制造鋅錳電池的主要原料，一種新工藝采用軟錳礦（主要成分為MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂雜質(zhì)）和閃鋅礦（主要成分為ZnS，含少量FeS、CuS、CdS雜質(zhì)）為原料生產(chǎn)MnO₂和鋅，其簡化工藝流程如下（中間產(chǎn)物的固體部分已經(jīng)略去）：

已知：
①浸取時(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)為：MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O，雜質(zhì)FeS、CuS、CdS也會(huì)發(fā)生類似反應(yīng)．
②某些金屬離子完全沉淀的pH如下表：

	Zn2+	Mn2+	Fe2+	Fe3+	Al3+
pH	8.0	10.1	9.0	3.2	4.7

請回答下列問題：
（1）步驟Ⅰ中浸取時(shí)Al₂O₃與稀硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O．
（2）步驟Ⅱ中還原回收得到的金屬單質(zhì)是Cu、Cd．
（3）步驟Ⅲ中MnO₂的作用是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，適宜選作物質(zhì)W的試劑為BD（選填編號）．
A．NaOH    B．ZnO    C．NH₃•H₂O    D．MnCO₃
（4）酸性鋅錳干電池放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e^-═Zn²⁺．
（5）MnSO₄可用于制備MnCO₃，MnCO₃在空氣中加熱反應(yīng)也可制得MnO₂．
已知25℃，101kPa時(shí)：
Mn（s）+O₂（g）=MnO₂（s）△H₁=-520kJ•mol^-1
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ•mol^-1
2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H₃=-894kJ•mol^-1
MnCO₃在空氣中加熱反應(yīng)生成MnO₂的熱化學(xué)方程式為2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=-933kJ•mol^-1．
（6）按照圖示流程，若某次生產(chǎn)過程中使用了100t閃鋅礦，其中ZnS含量為80%，浸取時(shí)ZnS的損失率為3%，最終得到87t MnO₂．假設(shè)流程中每個(gè)步驟都反應(yīng)完全，電解（使用惰性電極）時(shí)無其他產(chǎn)物生成，則流程中除雜質(zhì)所引入的鋅元素的質(zhì)量為13t．

Answer 1

分析 軟錳礦、閃鋅礦和稀硫酸混合，發(fā)生的反應(yīng)有MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+FeS+2H₂SO₄=MnSO₄+FeSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CdS+2H₂SO₄=MnSO₄+CdSO₄+S↓+2H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，二氧化硅不溶于稀硫酸，然后過濾，濾液中含有MnSO₄、FeSO₄、CuSO₄、CdSO₄、Al₂（SO₄）₃，向?yàn)V液中加入Zn，Zn能還原Cu²⁺、Cd²⁺得到Cu、Cd，過濾向?yàn)V液中加入二氧化錳和W，二氧化錳具有氧化性，能氧化還原性離子Fe²⁺，W能使溶液中鐵離子、鋁離子反應(yīng)生成沉淀，則W能和氫離子反應(yīng)且不能引進(jìn)新的雜質(zhì)；電解硫酸鋅和硫酸錳溶液得到Zn、MnO₂和稀硫酸；
（1）Al₂O₃是兩性氧化物，能和H₂SO₄反應(yīng)生成Al₂（SO₄）₃和 H₂O；
（2）根據(jù)流程圖中反應(yīng)前后離子變化確定回收金屬成分；
（3）二氧化錳具有氧化性，能氧化還原性離子；
W能和氫離子反應(yīng)而調(diào)節(jié)溶液的pH，且不能引進(jìn)新的雜質(zhì)；
（4）放電時(shí)負(fù)極上鋅失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（5）根據(jù)蓋斯定律寫出該反應(yīng)熱化學(xué)方程式；
（6）閃鋅礦浸取后m（Zn）=100t×80%×（1-97%）×$\frac{65}{97}$=52t，電解反應(yīng)式為Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺，根據(jù)方程式中鋅元素和二氧化錳之間的關(guān)系式計(jì)算需要Zn的質(zhì)量．

解答 解：軟錳礦、閃鋅礦和稀硫酸混合，發(fā)生的反應(yīng)有MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+FeS+2H₂SO₄=MnSO₄+FeSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CdS+2H₂SO₄=MnSO₄+CdSO₄+S↓+2H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，二氧化硅不溶于稀硫酸，然后過濾，濾液中含有MnSO₄、FeSO₄、CuSO₄、CdSO₄、Al₂（SO₄）₃，向?yàn)V液中加入Zn，Zn能還原Cu²⁺、Cd²⁺得到Cu、Cd，過濾向?yàn)V液中加入二氧化錳和W，二氧化錳具有氧化性，能氧化還原性離子Fe²⁺，W能使溶液中鐵離子、鋁離子反應(yīng)生成沉淀，則W能和氫離子反應(yīng)且不能引進(jìn)新的雜質(zhì)；電解硫酸鋅和硫酸錳溶液得到Zn、MnO₂和稀硫酸；
（1）Al₂O₃是兩性氧化物，能和H₂SO₄反應(yīng)生成Al₂（SO₄）₃和 H₂O，反應(yīng)方程式為Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，
故答案為：Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O；
（2）根據(jù)流程圖中反應(yīng)前后離子變化確定回收金屬成分為Cu、Cd，故答案為：Cu、Cd；
（3）二氧化錳具有氧化性，能氧化還原性離子亞鐵離子，然后將鐵離子除去；
W能和氫離子反應(yīng)而調(diào)節(jié)溶液的pH，且不能引進(jìn)新的雜質(zhì)，符合條件的有BD，一水合氨和NaOH雖然能調(diào)節(jié)溶液的pH但引進(jìn)新的雜質(zhì)，
故答案為：將Fe²⁺氧化成Fe³⁺；BD；
（4）放電時(shí)負(fù)極上鋅失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Zn-2e^-═Zn²⁺，故答案為：Zn-2e^-═Zn²⁺；
（5）Mn（s）+O₂（g）=MnO₂（s）△H₁=-520kJ•mol^-1 ①
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ•mol^-1 ②
2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H₃=-894kJ•mol^-1③，
將方程式；2（①+②）-③得2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=2（-520kJ•mol^-1-393.5kJ•mol^-1 ）-（-894kJ•mol^-1）=-933 kJ•mol^-1，
故答案為：2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=-933 kJ•mol^-1；
（6）閃鋅礦浸取后m（Zn）=100t×80%×（1-97%）×$\frac{65}{97}$=52t，電解反應(yīng)式為Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺，
設(shè)生成87t二氧化錳所需鋅元素質(zhì)量為x，
Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺
65                        87
x                        87t
65：87=x：87t
x=$\frac{65×87t}{87}$=65t
實(shí)際上有52t，則還需要65t-52t=13t，
故答案為：13．

點(diǎn)評 本題考查物質(zhì)分離和提純，為高頻考點(diǎn)，涉及化學(xué)方程式的計(jì)算、原電池原理、蓋斯定律、除雜等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算及知識的綜合運(yùn)用，明確化學(xué)原理、各個(gè)物理量之間的關(guān)系及流程圖中發(fā)生的反應(yīng)及可能存在的離子或物質(zhì)是解本題關(guān)鍵，題目難度中等．