Question

18．硫酸鋅被廣泛應用于工農業生產和醫藥領域．工業上由氧化鋅礦（主要成分為ZnO，另含ZnSiO₃、FeCO₃、CuO等）生產ZnSO₄•7H₂O的一種流程如下：

（1）步驟Ⅰ包括酸浸和過濾兩個操作．
①酸浸時，需不斷通入高溫水蒸氣的目的是升高溫度，使反應物充分混合，以加快反應速率．
②過濾時為防堵塞，過濾裝置需常用NaOH溶液清洗，其清洗原理是H₂SiO₃+2NaOH=Na₂SiO₃+2H₂O（用化學方程式表示）．
（2）步驟Ⅱ中，在pH約為5.1的濾液中加入高錳酸鉀，生成Fe（OH）₃和MnO（OH）₂兩種沉淀，該反應的離子方程式為3Fe²⁺+MnO₄^-+8H₂O=3Fe（OH）₃↓+MnO（OH）₂↓+5H⁺．
（3）步驟Ⅲ所得濾渣Z的主要成分是Cu（Zn）．
（4）取28.70g ZnSO₄•7H₂O加熱至不同溫度，剩余固體的質量變化如圖所示．
①步驟Ⅳ中的烘干操作需在減壓條件下進行，其原因是降低烘干的溫度，防止ZnSO₄•7H₂O分解．
②在圖中C點，680℃時所得固體的化學式為d（填字母序號）．
a．ZnO     b．ZnSO₄    c．ZnSO₄•H₂O
d．Zn₃O（SO₄）₂．

Answer 1

分析 氧化鋅礦（主要成分為ZnO，另含ZnSiO₃、FeCO₃、CuO等）加稀硫酸溶解，過濾，濾液中含有硫酸鋅、硫酸銅、硫酸亞鐵，再加高錳酸鉀溶液與亞鐵離子反應生成MnO（OH）₂和氫氧化鐵沉淀，過濾，濾液中含有硫酸銅和硫酸鋅，加鋅粉置換銅離子，過濾，濾渣為Cu可能含有Zn，濾液為硫酸鋅，蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾得到ZnSO₄•7H₂O晶體；
（1）①根據溫度對反應速率的影響分析；
②用氫氧化鈉溶液清洗過濾裝置，目的是使反應生成的H₂SiO₃濾渣反應生成Na₂SiO₃溶解除去；
（2）高錳酸鉀與Fe²⁺反應生成Fe（OH）₃和MnO（OH）₂；
（3）步驟Ⅲ：向濾液中加入鋅粉，置換出銅；
（4）①由于ZnSO₄•7H₂O易分解，烘干時要適當降低溫度；
②28.70 g ZnSO₄•7H₂O的物質的量為0.1mol，由Zn元素守恒可知，生成ZnSO₄•H₂O或ZnSO₄或ZnO或Zn₃O（SO₄）₂時，物質的量均為0.1mol，根據它們的質量通過排除法確定．

解答 解：氧化鋅礦（主要成分為ZnO，另含ZnSiO₃、FeCO₃、CuO等）加稀硫酸溶解，過濾，濾液中含有硫酸鋅、硫酸銅、硫酸亞鐵，再加高錳酸鉀溶液與亞鐵離子反應生成MnO（OH）₂和氫氧化鐵沉淀，過濾，濾液中含有硫酸銅和硫酸鋅，加鋅粉置換銅離子，過濾，濾渣為Cu可能含有Zn，濾液為硫酸鋅，蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾得到ZnSO₄•7H₂O晶體；
（1）①酸浸時，不斷通入高溫水蒸氣可使反應液的溫度升高，使反應物充分混合，以加快反應速率，
故答案為：升高溫度，使反應物充分混合，以加快反應速率；
②濾渣A為硅酸沉淀，用氫氧化鈉溶液清洗過濾裝置，目的是使反應生成的H₂SiO₃濾渣與氫氧化鈉反應生成Na₂SiO₃溶解除去，其發生的反應為：H₂SiO₃+2NaOH=Na₂SiO₃+2H₂O，
故答案為：H₂SiO₃+2NaOH=Na₂SiO₃+2H₂O；
（2）在pH約為5.1的濾液中加入高錳酸鉀，高錳酸鉀與Fe²⁺發生氧化還原反應，生成Fe（OH）₃和MnO（OH）₂兩種沉淀，則反應的離子方程式為：3Fe²⁺+MnO₄^-+8H₂O=3Fe（OH）₃↓+MnO（OH）₂↓+5H⁺，
故答案為：3Fe²⁺+MnO₄^-+8H₂O=3Fe（OH）₃↓+MnO（OH）₂↓+5H⁺；
（3）步驟Ⅲ：向含有Cu²⁺、Zn²⁺、SO₄^2-的濾液中加入鋅粉，置換出銅，可能含有過量的鋅粉，
故答案為：Cu（Zn）；
（4）①由于ZnSO₄•7H₂O易分解，烘干時要適當降低溫度，防止ZnSO₄•7H₂O分解，
故答案為：降低烘干的溫度，防止ZnSO₄•7H₂O分解；
②28.70 g ZnSO₄•7H₂O的物質的量為0.1mol，由Zn元素守恒可知，生成ZnSO₄•H₂O或ZnSO₄或ZnO或Zn₃O（SO₄）₂時，物質的量均為0.1mol，
若得ZnSO₄•H₂O的質量為17.90g（100℃）；
若得ZnSO₄的質量為16.10g（250℃）；
若得ZnO的質量為8.10g（930℃）；
據此通過排除法確定680℃時所得固體的化學式為Zn₃O（SO₄）₂；
故答案為：d．

點評 本題以ZnSO₄•7H₂O的制備為知識背景，考查了基本實驗操作、氧化還原反應、化學反應速率的影響因素、化學方程式的書寫、計算等知識，題目難度中等，側重于考查學生的分析能力和實驗能力．