Question

20．錳的用途非常廣泛，在鋼鐵工業中，錳的用量僅次于鐵，90%的錳消耗于鋼鐵工業，10%的錳消耗于有色冶金、化工、電子、電池、農業等部門．以碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵、鎳、鈷等碳酸鹽雜質）為原料生產金屬錳的工藝流程如圖：

已知25℃，部分物質的溶度積常數如下：

物質	Mn（OH）2	Co（OH）2	Ni（OH）2	MnS	CoS	NiS
Ksp	2.1×10-13	3.0×10-16	5.0×10-16	1.0×10-11	5.0×10-22	1.0×10-22

（1）步驟Ⅰ中，MnCO₃與硫酸反應的化學方程式是MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
（2）步驟Ⅰ中需要加入稍過量的硫酸，其目的有3點：①使礦物中的物質充分反應；②提供第Ⅱ步氧化時所需要的酸性環境；③抑制Mn²⁺的水解；
（3）步驟Ⅱ中，MnO₂在酸性條件下可將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，該反應的離子方是MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；加氨水調節溶液的pH為5.0～6.0，以除去Fe³⁺．
（4）步驟Ⅲ中，需要用到的玻璃儀器除玻璃棒、漏斗外，還有燒杯；濾渣2的主要成分是CoS和NiS；
（5）電解后的廢水中還含有Mn²⁺，常用石灰乳進行一級沉降得到Mn（OH）₂沉淀，過濾后再向濾液中加入適量Na₂S，進行二級沉降．欲使溶液中c（Mn²⁺）≤1.0×10^-5 mol•L^-1，則應保持溶液中c（S^2-）≥1.0×10^-6 mol•L^-1．

Answer 1

分析 向碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵、鎳、鈷等碳酸鹽雜質）中加入硫酸，可以發生反應生成硫酸鹽，向其中就如具有氧化性的二氧化錳，可以將亞鐵離子氧化為鐵離子，調節pH可以將氫氧化鐵沉淀下來，向濾液中加入硫化銨，可以將鎳離子、鈷離子形成硫化物沉淀下來，最后對得到的含有錳離子的鹽電解，可以得到金屬錳，
（1）加稀硫酸時樣品中的MnCO₃和硫酸反應生成可溶性的MnSO₄，并產生二氧化碳和水；
（2）Mn²⁺離子易水解；
（3）據得失電子守恒有MnO₂+2Fe²⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，再據電荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，最后據原子守恒得MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（4）根據操作方法判斷缺少的儀器；由于在第一次過濾之后的濾液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根據各物質的溶度積常數可確定有CoS和NiS沉淀（濾渣2）生成；
（5）由于將一級沉降根據MnS的Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）進行計算即可．

解答 解：向碳酸錳礦（主要成分為MnCO₃，還含有鐵、鎳、鈷等碳酸鹽雜質）中加入硫酸，可以發生反應生成硫酸鹽，向其中就如具有氧化性的二氧化錳，可以將亞鐵離子氧化為鐵離子，調節pH可以將氫氧化鐵沉淀下來，向濾液中加入硫化銨，可以將鎳離子、鈷離子形成硫化物沉淀下來，最后對得到的含有錳離子的鹽電解，可以得到金屬錳，
（1）加稀硫酸時樣品中的MnCO₃和硫酸反應生成可溶性的MnSO₄，并產生二氧化碳和水，步驟Ⅰ中，MnCO₃與硫酸反應的化學方程式為：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O，
故答案為：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
（2）Mn²⁺離子易水解．加入過量硫酸，還可以抑制Mn²⁺的水解，
故答案為：抑制Mn²⁺的水解；
（3）步驟Ⅱ中，MnO₂在酸性條件下可將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺，反應的離子方程式是據得失電子守恒有MnO₂+2Fe²⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，再據電荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，最后據原子守恒得，MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（4）步驟Ⅲ為過濾操作，需要用到的玻璃儀器除玻璃棒、漏斗外，還需要燒杯；
由于在第一次過濾之后的濾液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根據各物質的溶度積常數可確定有CoS和NiS沉淀（濾渣2）生成，
故答案為：燒杯；CoS和NiS；
（5）MnS的Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）=1.0×10^-11，為了將Mn²⁺降到1.0×10^-5mol/L，則c（S^2-）=$\frac{K{\;}_{sp}}{c（Mn{\;}^{2+}）}$=$\frac{1.0×10{\;}^{-11}}{1.0×10{\;}^{-5}}$=1.0×10^-6mol/L，即硫化鈉的濃度是1.0×10^-6mol/L，
故答案為：1.0×10^-6．

點評 本題考查了制備方案的設計，題目難度中等，根據制備流程明確制備原理為解答關鍵，注意掌握難溶物溶解平衡及溶度積的有關計算方法，試題培養了學生的分析、理解能力及化學實驗能力．