Question

18．工業(yè)上可用軟錳礦（主要成分是MnO₂）和黃鐵礦（主要成分是FeS₂）為主要原料制備高性能磁性材料碳酸錳（MnCO₃）．其工業(yè)流程如圖1所示：

已知：MnCO₃難溶于水、乙醇，潮濕時易被空氣氧化，100℃開始分解．
回答下列問題：
（1）凈化工序的目的是除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)．若測得濾液中c（F^-）=0.01mol/L^-1，濾液中殘留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6 mol/L〔已知：K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10〕
（2）沉錳工序中，298K、c（Mn²⁺）為1.05mol/L^-1時，實(shí)驗測得MnCO₃的產(chǎn)率與溶液pH、反應(yīng)時間的關(guān)系如圖2所示．根據(jù)圖中信息得出的結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高（或pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，所需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果）．
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃的操作方法是：過濾、先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥）．
（4）為測定某軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，準(zhǔn)確稱量1.20g軟錳礦樣品，加入2.68g草酸鈉固體，再加入足量的稀硫酸并加熱（雜質(zhì)不參加反應(yīng)），充分反應(yīng)后冷卻，將所得溶液轉(zhuǎn)移到250mL容量瓶中用蒸餾水稀釋至刻度，從中取出25.0mL，用0.0200mol•L^-1高錳酸鉀溶液進(jìn)行滴定，當(dāng)?shù)稳?0.0mL溶液時恰好完全反應(yīng)．
已知高錳酸鉀、二氧化錳在酸性條件下均能將草酸鈉（Na₂C₂O₄）氧化：
2MnO₄^-+5C₂O₄^2-+16H⁺═2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
MnO₂+C₂O₄^2-+4H⁺═Mn²⁺+2CO₂↑+2H₂O
求該軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.5%（寫出計算過程）．

Answer 1

分析 由流程可知軟錳礦（主要成分MnO₂）和黃鐵礦加入硫酸酸浸過濾得到浸出液調(diào)節(jié)溶液pH，F(xiàn)eS₂和稀硫酸反應(yīng)生成Fe²⁺，然后過濾得到濾渣是MnO₂，向濾液中加入軟錳礦發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為：2Fe²⁺+15MnO₂+28H⁺=2Fe³⁺+14H₂O+15Mn²⁺+4SO₄²，過濾，濾液中主要含有Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)，加入硫化銨和氟化銨，除去Cu²⁺、Ca²⁺過濾，在濾液中加入碳酸氫銨和氨水沉錳，生成MnCO₃沉淀，過濾得到的濾渣中主要含有MnCO₃，通過洗滌、烘干得到MnCO₃晶體．
（1）根據(jù)K_sp（CaF₂）和c（F^-），寫出溶度積常數(shù)表達(dá)式求算鈣離子濃度；
（2）根據(jù)沉錳的圖象可知，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果；
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃，只需將沉淀析出的MnCO₃過濾、洗滌、干燥即可得到碳酸錳；
（4）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；滴定250mL稀釋后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol；根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，n（MnO₂）=0.0100mol，再根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式計算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答 解：（1）由于第二步加入了石灰引入了鈣離子，需除去溶液中的銅離子和鈣離子，需分別加入硫化銨、氟化銨，已知K_sp（CaF₂））=1.46×10^-10，c（F^-）=0.01 mol•L^-1 ，則c（Ca²⁺）=$\frac{{K}_{sp}}{{C}^{2}（{F}^{-}）}$=$\frac{1.46×1{0}^{-10}}{0.0{1}^{2}}$mol/L=1.46×10^-6mol•L^-1，
故答案為：1.46×10^-6 mol/L；
（2）從沉錳的圖象可以看出，在已給的幾個pH值條件下，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果，因此結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高，
故答案為：pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高（或pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，所需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果）；
（3）因為MnCO₃難溶于水、乙醇，潮濕時易被空氣氧化，100℃開始分解，因此從沉錳工序中得到純凈MnCO₃，因此從沉錳工序中得到純凈MnCO₃的操作方法是：過濾、先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥），用水洗去可溶性雜質(zhì)，用乙醇洗去水分，低溫干燥防止碳酸錳分解，
故答案為：先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥）；
（4）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；滴定250mL稀釋后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol；
根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，n（MnO₂）=0.0100mol，
二氧化錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.20g}$×100%=72.5%，
故答案為：72.5%．

點(diǎn)評 本題考查物質(zhì)制備，為高頻考點(diǎn)，涉及方程式的計算、溶度積常數(shù)計算、物質(zhì)分離和提純操作、圖象分析等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、計算能力，難點(diǎn)是（4）題計算，注意轉(zhuǎn)移電子守恒的應(yīng)用．