Question

18．高錳酸鉀[KMnO₄]是常用的氧化劑．工業上以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體．中間產物為錳酸鉀[K₂MnO₄]．如圖1是實驗室模擬制備的操作流程：

相關資料：
①物質溶解度

物質	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②錳酸鉀[K₂MnO₄]
外觀性狀：墨綠色結晶．其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）的特征顏色．
化學性質：在強堿性溶液中穩定，在酸性、中性和弱堿性環境下，MnO₄^2-會發生歧化反應．
試回答下列問題：
（1）煅燒軟錳礦和KOH固體時，不采用石英坩堝而選用鐵坩堝，實驗中用鐵坩堝煅燒暴露在空氣中的固體混合物發生反應的化學方程式為2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（2）實驗時，若CO₂過量會生成KHCO₃，請用離子方程式表示實驗中通入適量CO₂時導致體系中KMnO₄產品純度降低的原因：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-；
（3）工業上一般采用惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，試寫出該電解反應的化學方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
傳統工藝采用無膜電解法由于副反應發生，Mn元素利用率和電流效率都會偏低．有同學聯想到離子交換膜法電解飽和食鹽水提出改進方法：可用陽離子交換膜分隔兩極區進行電解（如圖2）．圖中A口加入的溶液最好為KOH溶液．使用陽離子交換膜可以提高Mn元素利用率的原因為陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區被還原．

Answer 1

分析 由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應，調節pH，由工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據元素守恒可知，會生成K₂CO₃，利用溶解度不同進行結晶分離．若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時，會有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，導致得到的KMnO₄產品的純度降低．
（1）煅燒暴露在空氣中煅燒混合物，由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，由電子轉移守恒可知，應有氧氣參加反應，根據H元素守恒應有水生成，配平書寫方程式；
（2）溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應，調節pH，CO₂使MnO₄^2-發生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據元素守恒可知，會生成K₂CO₃；
（3）電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素發生氧化反應，故溶液中水電離的氫離子放電，發生還原反應生成氫氣，同時得到KOH；
由圖可知，陽離子由左室通過陽離子交換膜進入右室，故左室為陰極室，右室為陰極室，溶液中生成KOH；
陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區被還原．

解答 解：由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應，調節pH，由工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據元素守恒可知，會生成K₂CO₃，利用溶解度不同進行結晶分離．若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時，會有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，導致得到的KMnO₄產品的純度降低．
（1）煅燒暴露在空氣中煅燒混合物，由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，由電子轉移守恒可知，應有氧氣參加反應，根據H元素守恒應有水生成，配平后方程式為2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案為：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（2）溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應，調節pH，CO₂使MnO₄^2-發生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據元素守恒可知，會生成K₂CO₃，有關反應離子方程式為3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，
故答案為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-；
（3）電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素發生氧化反應，故溶液中水電離的氫離子放電，發生還原反應生成氫氣，同時得到KOH，電解反應方程式為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
由圖可知，陽離子由左室通過陽離子交換膜進入右室，故左室為陰極室，右室為陰極室，溶液中生成KOH，故A溶液應為KOH溶液；
陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區被還原，提高了Mn元素利用率，
故答案為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區被還原．

點評 本題考查實驗制備方案，涉及化學工藝流程、儀器與試劑選擇、對實驗條件的控制、電解應用、對題目信息獲取與應用等，需要學生具有扎實的基礎知識與靈活運用知識解決問題的能力，難度中等．