Question

4．高爐煉鐵的煙塵中主要含有鋅、鐵、銅等金屬元素．從煙塵中提取硫酸鋅，可以變廢為寶，減少其對環境的危害．圖是用高爐煙塵制取硫酸鋅的工業流程．

已知：
①20℃時，0.1mol•L^-1的金屬離子沉淀時的pH

pH	Fe3+	Zn2+	Mn2+	Cu2+
開始沉淀	1.9	6.0	8.1	4.7
沉淀完全	3.7	8.0	10.1	6.7
沉淀溶解	不溶解	10.5	不溶解	/

②過二硫酸銨是一種強氧化劑．
③ZnSO₄+4NH₃=[Zn（NH₃）₄]SO₄，[Zn（NH₃）₄]SO₄易溶于水．
回答下列問題：
（1）為提高煙塵中金屬離子的浸出率，除了適度增加硫酸濃度外，還可以采取什么措施？（舉出1種）升高溫度．
（2）上述流程測得溶液pH=5.0，此處可以選擇的測量儀器是pH計．
（3）加入MnO₂的目的是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺．
（4）寫出還原過程發生的主要反應的離子方程式Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu．
（5）寫出過二硫酸銨把硫酸錳（MnSO₄）氧化的化學方程式MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄．
（6）操作甲中為使鋅離子完全沉淀，添加的最佳試劑是C
A、鋅粉    B、氨水   C、（NH₄）₂CO₃   D、NaOH
（7）若pH=5.0時，溶液中的Cu²⁺尚未開始沉淀，求溶液中允許的Cu²⁺濃度的最大值10^-1.6mol/L．

Answer 1

分析 高爐煉鐵的煙塵中主要含有鋅、鐵、銅等金屬元素，用硫酸酸浸，過濾得到濾液中含有鋅離子、亞鐵離子、銅離子等，用二氧化錳氧化亞鐵離子生成鐵離子，再加氨水調節pH值使鐵離子轉化為氫氧化鐵沉淀，過濾除去，用過二硫酸銨除去錳離子，再加入足量的鋅除去銅離子，得到硫酸銨、硫酸鋅的混合溶液，在溶液中加足量的（ NH₄）₂CO₃ 使鋅離子完全沉淀，過濾分離后用硫酸溶解得到硫酸鋅．
（1）提高浸出率可從濃度、溫度、攪拌等影響化學反應速率的角度分析；
（2）測量溶液pH可以用pH計；
（3）加入MnO₂可以將亞鐵離子氧化成鐵離子；
（4）還原過程中鋅置換出銅；
（5）過二硫酸銨和硫酸錳反應生成二氧化錳、硫酸銨、硫酸，根據電子得失守恒和原子守恒配平書寫；
（6）使鋅離子完全沉淀，要調節溶液的pH值且要不引入新的雜質；
（7）根據0.1mol．L^-1Cu²⁺開始沉淀時pH=4.7，可計算出Ksp[Cu（OH）₂]，根據Ksp可計算出pH=5.0時，溶液中的Cu²⁺濃度的最大值．

解答 解：高爐煉鐵的煙塵中主要含有鋅、鐵、銅等金屬元素，用硫酸酸浸，過濾得到濾液中含有鋅離子、亞鐵離子、銅離子等，用二氧化錳氧化亞鐵離子生成鐵離子，再加氨水調節pH值使鐵離子轉化為氫氧化鐵沉淀，過濾除去，用過二硫酸銨除去錳離子，再加入足量的鋅除去銅離子，得到硫酸銨、硫酸鋅的混合溶液，在溶液中加足量的（ NH₄）₂CO₃ 使鋅離子完全沉淀，過濾分離后用硫酸溶解得到硫酸鋅．
（1）升高溫度、攪攔、增加浸出時間等可以提高煙塵中金屬離子的浸出率，故答案為：升高溫度；
（2）測量溶液pH可以用pH計，故答案為：pH計；
（3）加入MnO₂可以將亞鐵離子氧化成鐵離子，通過調節溶液pH使鐵離子轉化為氫氧化鐵沉淀除去，
故答案為：將Fe²⁺氧化成Fe³⁺；
（4）還原過程中鋅置換出銅，反應的離子方程式為：Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu，
故答案為：Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu；
（5）過二硫酸銨和硫酸錳反應生成二氧化錳、硫酸銨、硫酸，反應的化學方程式為MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄，
故答案為：MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄；
（6）由于在前面的步驟中已經加過鋅，所以鋅不能使鋅離子完全沉淀，氨水與鋅離子形成配合離子溶于水，氫氧化鈉會引入新雜質，所以要使鋅離子完全沉淀，只能用碳酸銨，故選C；
（7）根據0.1mol．L^-1Cu²⁺開始沉淀時pH=4.7，可知Ksp[Cu（OH）₂]=0.1×（10^-9.3）²=10^-19.6，根據Ksp可知pH=5.0時，所以溶液中的Cu²⁺濃度的最大值為$\frac{1{0}^{-19.6}}{（1{0}^{-9}）^{2}}$mol/L=10^-1.6mol/L，
故答案為：10^-1.6mol/L．

點評 本題是物質制備工藝流程題目，關鍵是對工藝流程的理解，涉及物質的分離提純、對原理與操作的分析評價、溶度積有關計算等，是對學生綜合能力的考查，為高考常見題型，難度中等．