Question

11．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]．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的理由是高溫下強堿會和瓷坩堝中的二氧化硅反應腐蝕坩堝；
（2）實驗時，若CO₂過量會生成KHCO₃，導致得到的KMnO₄產品的純度降低．請寫出實驗中通入適量CO₂時體系中可能發生反應離子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；
其中氧化還原反應中氧化劑和還原劑的質量比為1：2．
（3）由于CO₂的通入量很難控制，因此對上述實驗方案進行了改進，即把實驗中通CO₂改為加其他的酸．從理論上分析，選用下列酸中A，得到的產品純度更高．
A．醋酸             B．濃鹽酸             C．稀硫酸
（4）工業上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{\;通電\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH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）．圖2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 以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體，軟錳礦固體和KOH固體混合在鐵坩堝中煅燒，得到墨綠色熔塊，為錳酸鉀，冷卻后溶于水其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）在堿溶液中的特征顏色，邊加熱邊通入適量二氧化碳氣體，調節溶液PH趁熱過濾得到二氧化錳固體和高錳酸鉀溶液，冷卻結晶得到高錳酸鉀晶體；
（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強堿反應，坩堝被腐蝕；
（2）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，若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄；氧化還原反應中氧化劑是元素化合價降低的物質，還原劑是元素化合價升高的物質，結合化學方程式定量關系和電子守恒計算；
（3）分析鹽酸具有還原性容易被高錳酸鉀氧化，使產品變質，硫酸反應生成的硫酸鉀溶解度小，會隨高錳酸鉀晶體析出；
（4）惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳酸根離子在陽極失電子生成高錳酸根離子，溶液中氫離子在陰極得到電子生成氫氣，溶液中氫氧根離子濃度增大生成堿，陽離子交換膜分隔兩極區進行電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，陽離子移向方向可知左邊電極為陽極，右邊冒氣泡的電極為陰極，為維持電解質溶液電荷守恒，A處最好加入氫氧化鉀溶液，使用陽離子交換膜可以提高Mn元素利用率是因為陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區．

解答 解：（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強堿反應，坩堝被腐蝕，加熱軟錳礦和KOH固體時，不采用瓷坩堝而選用鐵坩堝，
故答案為：高溫下強堿會和瓷坩堝中的二氧化硅反應腐蝕坩堝；
（2）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，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，實驗中通入適量CO₂時體系中可能發生反應離子方程式為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，其中氧化還原反應中氧化劑和還原劑都是高錳酸鉀，所以氧化劑和還原劑的質量比即為反應的物質的量之比為1：2；
故答案為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；1：2；
（3）因為鹽酸具有還原性，易被高錳酸鉀氧化，醋酸鉀的溶解度比硫酸鉀大的多，蒸發濃縮時基本上都會留在母液中，硫酸加入生成的硫酸鉀溶解度小，會隨KMnO₄一起結晶析出得到的高錳酸鉀中含有雜質；
故答案為：A；
（4）惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳酸根離子在陽極失電子生成高錳酸根離子，溶液中氫離子在陰極得到電子生成氫氣，溶液中氫氧根離子濃度增大生成堿，電解反應的化學方程式為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH，陽離子交換膜分隔兩極區進行電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，陽離子移向方向可知左邊電極為陽極，右邊冒氣泡的電極為陰極，為維持電解質溶液電荷守恒，A處最好加入氫氧化鉀溶液，使用陽離子交換膜可以提高Mn元素利用率是因為陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區被還原；
故答案為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$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 本題考查常見氧化劑與還原劑、氧化還原反應、化學計算和對工藝流程的理解、閱讀題目獲取信息的能力等，難度中等，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．