Question

【題目】Zn是一種應用廣泛的金屬。用閃鋅礦(主要成分為ZnS，還含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS、砷化合物雜質等)為原料制備金屬Zn和ZnSO4·7H2O的流程如圖所示：

①相關金屬離子[c(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：

金屬離子	Fe3+	Fe2+	Zn2+	Cd2+
開始沉淀的pH	1.5	6.3	6.2	7.4
沉淀完全的pH	2.8	8.3	8.2	9.4

②FeAsO4難溶于水；ZnSO4·7H2O易溶于水，難溶于酒精。

回答下列問題：

(1)濾渣1的主要成分除SiO2外還有______，焙燒后產生的氣體對環境造成的常見危害為______。

(2)氧化除雜工序中加入ZnO的作用是___________。

(3)制得的ZnSO4·7H2O需洗滌，洗滌晶體時應選用的試劑為____________。

(4)溶液中的Cd2＋可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應的離子方程式為___________。不能省去“還原除雜”步驟，直接在“氧化除雜”步驟中除去Cd2＋，理由是________。

(5)回收所得的Cd可用于制造鎳鎘堿性二次電池，電池工作時，正極NiO(OH)轉化為Ni(OH)2，則充電時電池的陽極反應式為_____________；沉積鋅后的電解液可返回______工序繼續使用。

(6)酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發生反應生成FeAsO4，寫出該反應的離子方程式為___________。

Answer 1

【答案】PbSO4 酸雨 調節溶液的pH使Fe3+沉淀完全 酒精（或飽和硫酸鋅溶液） Zn+Cd2+= Zn2++Cd 在氧化除雜工序中加ZnO是為了調節溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要調節為9.4，此時Zn2+也會完全沉淀 Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O 酸浸 5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O

【解析】

焙燒過程中發生的反應有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙燒過程中生成的氣體是SO2，焙燒后的主要成分變為ZnO，還存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，發生一系列反應，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO與稀硫酸反應分別生成硫酸鋅、硫酸鐵、硫酸鉛、硫酸鎘，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下來，所以濾渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調節溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質，加入酸性高錳酸鉀溶液能使溶液中的Fe2+轉變為Fe3+，有利于除雜，同時根據第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發生反應生成FeAsO4，可知濾渣2為Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）問可知，還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，則濾渣3為Cd以及過量的鋅粉，則得到的濾液為含硫酸鋅的溶液，經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥、得到ZnSO4·7H2O，經過電解得到金屬Zn，據此分析解答。

焙燒過程中發生的反應有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙燒過程中生成的氣體是SO2，焙燒后的主要成分變為ZnO，還存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，發生一系列反應，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO與稀硫酸反應分別生成硫酸鋅、硫酸鐵、硫酸鉛、硫酸鎘，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下來，所以濾渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調節溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質，加入酸性高錳酸鉀溶液能使溶液中的Fe2+轉變為Fe3+，有利于除雜，同時根據第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發生反應生成FeAsO4，可知濾渣2為Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）問可知，還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，則濾渣3為Cd以及過量的鋅粉，則得到的濾液為含硫酸鋅的溶液，經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥、得到ZnSO4·7H2O，經過電解得到金屬Zn，

(1)由以上分析可知，濾渣1的主要成分除SiO2外還有PbSO4；焙燒后產生的氣體為SO2，其對環境造成的常見危害為酸雨，故答案為：PbSO4；酸雨；

(2)由以上分析知，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調節溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質，故答案為：調節溶液的pH使Fe3+沉淀完全；

(3)已知ZnSO4·7H2O易溶于水，難溶于酒精，則為了減少洗滌過程中晶體的損失，可以用酒精或者飽和硫酸鋅溶液洗滌晶體，故答案為：酒精（或飽和硫酸鋅溶液）；

(4)還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，從而除去Cd，發生反應的離子方程式為Zn+Cd2+= Zn2++Cd；根據Cd2+、Zn2+沉淀的pH可知，若直接在“氧化除雜”步驟中除去Cd2＋，溶液的pH至少需要調節為9.4，此時Zn2+也會完全沉淀，因此需要在“還原除雜”步驟中除去Cd2+，故答案為：Zn+Cd2+= Zn2++Cd；在氧化除雜工序中加ZnO是為了調節溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要調節為9.4，此時Zn2+也會完全沉淀；

(5)電池工作時，正極NiO(OH)轉化為Ni(OH)2，則放電時，正極反應式為：NiO(OH)+H2O+ e- = Ni(OH)2 +OH-，充電時，陽極發生的反應為放電時正極反應的逆過程，則陽極反應式為：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；電解硫酸鋅溶液制備鋅單質時，陰極鋅離子得電子析出金屬鋅，陽極為水電離出的氫氧根離子放電，電極反應式為：2H2O-4e- =O2↑+4H+，則電解后溶液生成稀硫酸，所以沉積鋅后的電解液可返回酸浸工序繼續使用，故答案為：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；酸浸；

(6)已知酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發生反應生成FeAsO4，As的化合價根據得失電子守恒，電荷守恒、元素守恒，寫出該反應的離子方程式為5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O，故答案為：5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O。