Question

17．酸性鋅錳干電池是一種一次電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是有碳粉，二氧化錳，氯化鋅和氯化銨等組成的填充物，該電池在放電過程產生MnOOH，回收處理該廢電池可以得到多種化工原料，有關數據表所示：
溶解度/（g/100g水）

溫度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

化合物	Zn（OH）2	Fe（OH）2	Fe（OH）3
Ksp近似值	10-17	10-17	10-39

回答下列問題：
（1）該電池的負極為鋅，正極反應式為MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH；
（2）維持電流強度為0.5A，電池工作5分鐘，理論消耗Zn0.05gg；（已知F=96500C/mol）
（3）廢電池糊狀填充物加水處理后，過濾，濾液中主要有氯化鋅和氯化銨，兩者可以通過加熱濃縮、冷卻結晶分離回收，濾渣的主要成分是二氧化錳、碳粉和MnOOH，欲從中得到較純的二氧化錳，最簡便的方法是空氣中加熱，其原理是碳粉轉變為二氧化碳，MnOOH氧化為二氧化錳；
（4）用廢電池的鋅皮制作七水合硫酸鋅，需去除少量雜質鐵，其方法是：加入稀硫酸和雙氧水，溶解，鐵變為Fe³⁺加堿調節PH為2.7，鐵剛好完全沉淀（離子濃度≤1×10^-5 mo1•L^-1時即可認為離子沉淀完全）繼續加堿調節PH為6鋅開始沉淀（假定此時溶液中Zn²⁺的濃度為0.1mo1•L^-1）．若上述過程不加雙氧水的后果Zn²⁺和Fe²⁺分離不開，原因是Fe（OH）₂和Zn（OH）₂的Ksp相近．

Answer 1

分析 （1）該電池負極鋅被氧化生成Zn²⁺，正極發生還原反應，MnO₂被還原生成MnOOH；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉移電子的物質的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，以此計算消耗鋅的質量、物質的量；
（3）填充物含有碳粉、二氧化錳，且生成MnOOH等，在空氣中加熱時，碳粉、MnOOH可被氧化；
（4）鐵加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，鐵剛好沉淀完全時離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，結合Ksp=10^-39計算pH，并根據Ksp計算鋅開始沉淀的pH．

解答 解：（1）該電池負極鋅被氧化生成Zn²⁺，正極發生還原反應，MnO₂被還原生成MnOOH，電極方程式為MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH，故答案為：鋅；MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉移電子的物質的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，則消耗Zn的質量為$\frac{150C}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.05g，
故答案為：0.05；
（3）濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，可通過加熱濃縮、冷卻結晶得到晶體，填充物含有碳粉、二氧化錳，且生成MnOOH等，在空氣中加熱時，碳粉、MnOOH可被氧化，分別生成二氧化碳和二氧化錳，
故答案為：加熱濃縮、冷卻結晶；碳粉；MnOOH；空氣中加熱；碳粉轉變為二氧化碳，MnOOH氧化為二氧化錳；
（4）鐵加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，鐵剛好沉淀完全時離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，因Ksp=10^-39，
則c（OH^-）=$\root{3}{\frac{10{\;}^{-39}}{10{\;}^{-5}}}$mol/L≈0.5×10^-11mol/L，此時pH=2.7，
如鋅開始沉淀，則c（OH^-）=$\sqrt{\frac{10{\;}^{-17}}{0.1}}$mol/L=10^-8mol/L，此時pH=6，
由表中數據可知Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近，如不加H₂O₂，則Zn²⁺和Fe²⁺分離不開，
故答案為：Fe³⁺；2.7；6；Zn²⁺和Fe²⁺分離不開；Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近．

點評 本題考查原電池知識以及物質的分離、提純，側重于原電池的工作原理以及實驗基本操作和注意問題，題目難度中等，有利于培養學生良好的科學素養．