Question

11．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．簡化流程框圖如圖（中間產物的固體部分已經略去）：

已知各種金屬離子完全沉淀的pH如表：

	Zn2+	Mn2+	Fe2+	Fe3+	Al3+
pH	8.0	10.1	9.0	3.2	4.7

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（SO₄）₃+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溶解軟錳礦、閃鋅礦，可以循環利用．

Answer 1

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、MnO₂+2FeS+6H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3MnSO₄+2S↓+6H₂O，
故答案為：MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O；MnO₂+2FeS+6H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3MnSO₄+2S↓+6H₂O；
（2）步驟②加入金屬鋅發生如下反應：Zn+CuSO₄═ZnSO₄+Cu，Zn+CdSO₄═ZnSO₄+Cd，Zn+2Fe³⁺═Zn²⁺+2Fe²⁺，過濾得濾液B，其中的成分有MnSO₄、Al₂（SO₄）₃、ZnSO₄、FeSO₄，濾渣乙中有Cu、Cd，加以回收，
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，題目難度中等，明確簡化流程中的反應原理、混合物分離方法為解答的關鍵，試題側重分析與應用能力的考查．