Question

9．新的生產MnO₂和鋅的工藝簡化流程框圖如圖（中間產物的固體部分已經略去）：

軟錳礦：MnO₂含量≥65%、Al₂O₃含最為4%；閃鋅礦：ZnS含量≥80%．FeS、CuS、CdS含量各為2%．濾液B中含金屬離子：Zn²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Al³⁺
試回答下列問題：
（1）軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫．金屬元素均轉化為相應的硫酸鹽（錳元素以-2價存在）．則其中MnO₂和FeS發生反應的離子方程式為3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S↓+6H₂O；
（2）步驟③中的MnO₂也可用下列BD （填序號）物質代替．（不考慮Mn²⁺的反應）
A． KMnO₄固體B． H₂O₂         C．濃硝酸D．濃硫酸E．氯水
（3）加入化合物C后可得純凈的Z．nSO₄，MnSO₄溶液，C可以是ZnO，Zn（OH）₂，Mn（OH）₂ 或MnCO₃（或ZnCO₃） （填一種含只種元素的化合物的化學式），產品D為H₂SO₄ （填化學式）．
（4）電解過程中陽極的電極反應式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（5）Ⅰ．將制得的MnO₂（s）與KOH（s），KClO₃（s）按比例混合，加熱熔融（不斷攪拌）可得KCl和K₂MnO₄的固體混合物；Ⅱ．再用5%的KOH溶液溶解得綠色（MnO₄^2-的顏色）溶液；Ⅲ．向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣（含MnO₂（s））；Ⅳ．將濾液蒸發濃縮、冷卻結晶、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體．
①為了使MnO₂，KOH，KC1O₃恰好完全反應，三者的物質的量之比應為3：6：1；
②寫出Ⅲ中生成KMnO₄的化學方程式：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃；
③Ⅲ中，需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會使所得產品純度降低，原因是CO₂通入過量會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

Answer 1

分析 軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物C后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，C可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂、MnCO₃或ZnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發生氧化還原反應生成硫單質、硫酸錳、硫酸鐵和水，結合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質；
（3）加入化合物C后可得純凈的ZnSO₄，MnSO₄溶液，C可以是鋅錳的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽，目的是調節溶液PH除去鐵離子，得到溶液，通過電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸；
（4）電解過程中MnO₂應在陽極生成，因Mn元素失去電子；
（5）①將制得的MnO₂（s）與KOH（s），KClO₃（s）按比例混合，加熱熔融（不斷攪拌）可得KCl和K₂MnO₄的固體混合物，結合氧化還原反應電子守恒和原子守恒配平書寫化學方程式得到物質的量之比；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣含MnO₂（s）將濾液蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀；
③二氧化碳過量會生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質．

解答 解：軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物C后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，C可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發生氧化還原反應生成硫單質、硫酸錳、硫酸鐵和水，結合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O，
故答案為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質，
A．KMnO₄固體會氧化亞鐵離子，但會引入鉀離子，故A不符合；
B．H₂O₂ 可以氧化亞鐵離子，且不引入新的雜質，故B符合；
C．濃硝酸會氧化亞鐵離子，但會引入硝酸根離子，故C不符合；
D．濃硫酸具有強氧化性，不因人員新的雜質，故D符合
E．新制氯水可以氧化亞鐵離子，但會引入氯離子，故D不符合；
故答案為：BD；
（3）加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂，MnCO₃或ZnCO₃，硫酸根離子不變，且生成氫離子，可知產品D的化學式為H₂SO₄，該物質對整個生產的意義是用于溶解軟錳礦和閃鋅礦，循環使用，
故答案為：MnCO₃或ZnCO₃；H₂SO₄；
（4）因Mn元素失去電子，可知步驟④中電解過程中MnO₂在陽極析出，該電極上發生的反應方程式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（5）①將制得的MnO₂（s）與KOH（s），KClO₃（s）按比例混合，加熱熔融（不斷攪拌）可得KCl和K₂MnO₄的固體混合物，錳元素化合價+4價變化為+6價，電子轉移2e^-，
氯元素化合價+5價變化為-1價，電子轉移6e^-，電子轉移總數為6e^-，配平的化學方程式為：3MnO₂（s）+6KOH（s）+KClO₃（s）=KCl+3K₂MnO₄+3H₂O，為了使MnO₂，KOH，KC1O₃恰好完全反應，三者的物質的量之比應為3：6：1，
故答案為：3：6：1；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣含MnO₂（s）將濾液蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀，反應的化學方程式為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃，
故答案為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃；
③二氧化碳過量會生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質，③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會使所得產品的純度降低，原因可能是通入過量CO₂會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出，
故答案為：通入過量CO₂會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

點評 本題考了物質分離提純的實驗過程分析，主要是離子性質、離子分離、離子檢驗、電解池原理和電極反應書寫，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．