Question

3．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下：

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．若測得濾液中c（F^-）=0.01mol/L^-1，濾液中殘留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6mol/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，實驗測得MnCO₃的產率與溶液pH、反應時間的關系如圖2所示．根據圖中信息得出的結論是pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產率最高．
（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量分數，準確稱量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（雜質不參加反應），充分反應后冷卻，將所得溶液轉移到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高錳酸鉀溶液進行滴定，當滴入20.0mL溶液時恰好完全反應．
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量分數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節(jié)溶液pH，FeS₂和稀硫酸反應生成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，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K_sp（CaF₂）和c（F^-），寫出溶度積常數表達式求算鈣離子濃度；
（2）根據沉錳的圖象可知，pH越大得到的MnCO₃的產率越高，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；
根據氧化還原反應中得失電子數相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
n（MnO₂）=0.0100mol，再根據質量分數公式計算其質量分數．

解答 解：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節(jié)溶液pH，FeS₂和稀硫酸反應生成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，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）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，因此結論是pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產率最高，
故答案為：pH等于7.0時反應速率最快，且MnCO₃的產率最高；
（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），用水洗去可溶性雜質，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；
根據氧化還原反應中得失電子數相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
n（MnO₂）=0.0100mol，
二氧化錳質量分數=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.20g}$×100%=72.5%，
故答案為：72.5%．

點評 本題考查物質制備，為高頻考點，涉及方程式的計算、溶度積常數計算、物質分離和提純操作、圖象分析等知識點，側重考查學生分析、計算能力，難點是（4）題計算，注意轉移電子守恒的應用．