Question

7．某含錳礦物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等．已知FeCO₃、MnCO₃難溶于水．一種運用陰離子膜電解法的新技術可用于從碳酸錳礦中提取金屬錳，主要物質轉化關系如下：

（1）設備1中反應后，濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂．濾渣1的主要成分是SiO₂（填化學式）．
（2）設備1中發生氧化還原反應的離子方程式是2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O．
（3）設備2中加足量雙氧水的作用是將Fe²⁺完全氧化為Fe³⁺．設計實驗方案檢驗濾液2中是否存在Fe²⁺：取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺．
（4）設備4中加入過量氫氧化鈉溶液，沉淀部分溶解，用化學平衡移動原理解釋原因：濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-Al（OH）₃AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，Al（OH）₃不斷溶解．
（5）設備3中用陰離子膜法提取金屬錳的電解裝置圖如下：

①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則A電極是直流電源的負極極．實際生產中，陽極以稀硫酸為電解液，陽極的電極反應式為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．
②該工藝之所以采用陰離子交換膜，是為了防止Mn²⁺進入陽極區發生副反應生成MnO₂造成資源浪費，寫出該副反應的電極反應式Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

Answer 1

分析 錳礦物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反應，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃與硫酸反應得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂，酸性條件下MnO₂將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，過濾除去二氧化硅等不溶物，濾渣1為SiO₂等不溶物．濾液1中加入過氧化氫將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，再加入氨水調節溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺轉化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾分離，濾液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，濾渣2為Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向濾渣2中加入氫氧化鈉，氫氧化鋁溶解得到NaAlO₂，過濾分離．濾液2電解得到Mn．
（1）濾渣1的主要成分是二氧化硅；
（2）設備1中發生氧化還原反應：二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子，二氧化硫被還原得到Mn²⁺；
（3）設備2中加足量雙氧水將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子；利用加入鐵氰化鉀溶液檢驗Fe²⁺離子；
（4）Al（OH）₃存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-Al（OH）₃ AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，平衡正向移動，氫氧化鋁被溶解；
（5）①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則左室為陰極室，右室為陽極室，A為電源的負極，B為電源的陽極，陽極以稀硫酸為電解液，溶液中氫氧根離子放電生成氧氣；
②Mn²⁺進入陽極區，發生氧化反應生成MnO₂，需要有水參與反應，根據電荷守恒可知有氫離子生成．

解答 解：錳礦物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反應，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃與硫酸反應得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂，酸性條件下MnO₂將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，過濾除去二氧化硅等不溶物，濾渣1為SiO₂等不溶物．濾液1中加入過氧化氫將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，再加入氨水調節溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺轉化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾分離，濾液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，濾渣2為Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向濾渣2中加入氫氧化鈉，氫氧化鋁溶解得到NaAlO₂，過濾分離．濾液2電解得到Mn．
（1）濾渣1的主要成分是SiO₂，故答案為：SiO₂；
（2）設備1中發生氧化還原反應：二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子，二氧化硫被還原得到Mn²⁺，反應離子方程式為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O；
（3）設備2中加足量雙氧水將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，便于調節pH時轉化為沉淀除去，檢驗濾液2中是否存在Fe²⁺的方案為：取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺，
故答案為：將Fe²⁺完全氧化為Fe³⁺；取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺；
（4）濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-Al（OH）₃ AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，Al（OH）₃不斷溶解，
故答案為：濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-Al（OH）₃ AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，Al（OH）₃不斷溶解；
（5）①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則左室為陰極室，右室為陽極室，A為電源的負極，B為電源的陽極，陽極以稀硫酸為電解液，溶液中氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案為：負極；4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
②Mn²⁺進入陽極區，發生氧化反應生成MnO₂，需要有水參與反應，根據電荷守恒可知有氫離子生成，該副反應的電極反應式：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

點評 本題考查學生對工藝流程的理解、閱讀題目獲取信息能力、物質的分離提純、化學平衡移動、電解原理等，綜合性較大，難度中等，需要學生具備扎實的基礎知識與綜合運用知識、信息進行解決問題的能力．