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10.MnO2和鋅是制造干電池的主要原料
電解法生產MnO2傳統的工藝主要流程為:軟錳礦加煤還原焙燒;用硫酸浸出焙燒料;浸出液(主要含Mn2+)經凈化后再進行電解,MnO2在電解池的陽極析出.
90年代后期發明了生產MnO2和鋅的新工藝,主要是采用軟錳礦(主要成分為MnO2,含少量Al2O3和SiO2雜質)和閃鋅礦(主要成分為ZnS,含少量FeS、CuS、CdS雜質)為主要原料,經過除雜后,得到含Zn2+、Mn2+離子的溶液,再通過電解同時獲得MnO2和鋅.簡化流程框圖如下(中間產物的固體部分已經略去):
[軟錳礦、閃鋅礦]$\stackrel{步驟①:硫酸}{→}$[濾液A]$\stackrel{步驟②:金屬棒}{→}$[Zn2+、Mn2+、Fe2+、Al3+]$\stackrel{步驟③:物質C}{→}$
[ZnSO4、MnSO4溶液]$\stackrel{步驟④:電解}{→}$[Zn+MnO2+產品D]
已知各種金屬離子完全沉淀的pH如下表:
Zn2+Mn2+Fe2+Fe3+Al3+
pH8.010.19.03.24.7
回答下列問題:
(1)步驟①中,軟錳礦、閃鋅礦粉與硫酸溶液共熱時析出硫的反應為氧化還原反應,例如:MnO2+ZnS+2H2SO4═MnSO4+ZnSO4+S↓+2H2O,請寫出MnO2在酸性溶液中分別和CuS和FeS發生反應的化學方程式:MnO2+CuS+2H2SO4=MnSO4+CuSO4+S↓+2H2O、MnO2+2FeS+6H2SO4=Fe2(SO43+3MnSO4+2S↓+6H2O.
(2)步驟②加入金屬鋅是為了回收金屬,回收金屬的主要成份為Cu、Cd(用化學符號表示)
(3)步驟③物質C由多種物質組成,其中含有兩種固體,其中一種為MnO2,其作用是將Fe2+氧化為Fe3+另外一種固體物質可為Zn(OH)2
(4)步驟④中電解過程中MnO2在陽極析出,該電極上發生的反應方程式為Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+.產品D的化學式為H2SO4,該物質對整個生產的意義是用于溶解軟錳礦和閃鋅礦,循環使用.

分析 (1)MnO2在酸性溶液中分別和CuS和FeS發生氧化還原反應,Mn元素的化合價降低,S元素的化合價升高,且Fe元素化合價升高;
(2)濾液A中含金屬離子,加Zn發生置換反應;
(3)由轉化可知,鐵離子、鋁離子轉化為沉淀;
(4)步驟④中電解過程中MnO2應在陽極生成,因Mn元素失去電子,陰極上Zn得到電子,得到的硫酸可循環使用.

解答 解:(1)MnO2在酸性溶液中分別和CuS和FeS發生氧化還原反應,Mn元素的化合價降低,S元素的化合價升高,且Fe元素化合價升高,由電子、原子守恒可知,反應分別為MnO2+CuS+2H2SO4=MnSO4+CuSO4+S↓+2H2O、3MnO2+2FeS+6H2SO4=Fe2(SO43+3MnSO4+2S↓+6H2O,
故答案為:MnO2+CuS+2H2SO4=MnSO4+CuSO4+S↓+2H2O;3MnO2+2FeS+6H2SO4=Fe2(SO43+3MnSO4+2S↓+6H2O;
(2)由濾液A$\stackrel{步驟②:金屬棒}{→}$Zn2+、Mn2+、Fe2+、Al3+,可知加Zn置換出Cu、Cd,故答案為:Cu、Cd;
(3)由轉化可知,鐵離子、鋁離子轉化為沉淀,其中一種為MnO2,其作用是將Fe2+氧化為Fe3+;另外一種固體物質可為Zn(OH)2(Mn(OH)2、ZnCO3、MnCO3等)促進鐵離子水解轉化為沉淀,
故答案為:將Fe2+氧化為Fe3+;Zn(OH)2
(4)因Mn元素失去電子,可知步驟④中電解過程中MnO2在陽極析出,該電極上發生的反應方程式為Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+,硫酸根離子不變,且生成氫離子,可知產品D的化學式為H2SO4,該物質對整個生產的意義是用于溶解軟錳礦和閃鋅礦,循環使用,
故答案為:陽;Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+;H2SO4;用于溶解軟錳礦和閃鋅礦,循環使用.

點評 本題考查混合物分離提純的綜合應用及物質制備實驗,為高頻考點,把握簡化流程中的反應、混合物分離方法為解答的關鍵,側重分析與應用能力的考查,題目難度中等.

練習冊系列答案
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