Question

15．二氧化錳是制造鋅錳干電池的基本材料．工業上以軟錳礦為原料，利用硫酸亞鐵制備高純二氧化錳的流程如下：
某軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的pH及部分硫化物的K_sp（均為25℃時）見下表，．

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0
沉淀物	CuS	ZnS	MnS	FeS
Ksp	8.5×10-45	1.2×10-23	1.4×10-15	3.7×10-14

回答下列問題：
（1）硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，酸浸時發生的主要反應的化學方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O
（2）濾渣B的主要成分是Fe（OH）₃和Al（OH）₃．
（3）加入MnS的目的是除去Cu²⁺，Zn²⁺雜質，可能原因是CuS、ZnS的溶解度較MnS小．
（4）堿性鋅錳干電池在放電時，電池的總反應方程式可以表示為：Zn+2MnO₂+2H₂O═Zn（OH）₂+2MnOOH，該電池的正極反應式為2MnO₂+2H₂O+2e^-═2MnOOH+2OH^-．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調節pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）根據FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，則Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據元素守恒還有水生成；
（2）由題目信息可知，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH進行判斷；（3）根據工藝流程及硫化物的K_sp判斷；
（4）根據反應式Zn+2MnO₂+2H₂O═Zn（OH）₂+2MnOOH可知，在反應中Zn元素化合價升高，被氧化，Zn為負極反應，Mn元素化合價降低，被還原，MnO₂為正極反應．

解答 解：軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調節pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據元素守恒還有水生成，反應方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案為：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水調pH至5.4，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH可知，Fe³⁺、Al³⁺完全轉化為Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，其它離子不沉淀，故濾渣B的主要成分為Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案為：Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）由題中硫化物的K_sp可知，加入MnS是為了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，
故答案為：CuS、ZnS的溶解度較MnS小；
（4）在反應中Zn元素化合價升高，被氧化，Zn為負極反應，負極電極反應式為Zn+2OH^--2e^-═Zn（OH）₂，Mn元素化合價降低，被還原，MnO₂為正極反應，正極反應式為2MnO₂+2H₂O+2e^-═2MnOOH+2OH^-，
故答案為：2MnO₂+2H₂O+2e^-═2MnOOH+2OH^-．

點評 本題考查學生對元素及其化合物的主要性質的掌握、書寫電極反應方程式、閱讀題目獲取新信息能力、對工藝流程的理解等，難度中等，需要學生具備扎實的基礎與綜合運用知識、信息分析解決問題能力．