Question

18．工業上以軟錳礦（主要成分MnO₂）為原料，通過液相法生產KMnO₄．即在堿性條件下用氧氣氧化MnO₂得到K₂MnO₄，分離后得到的K₂MnO₄，再用惰性材料為電極電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，其生產工藝簡略如下：
（1）反應器中反應的化學方程式為4KOH+2MnO₂+O₂=2K₂MnO₄+2H₂O．
（2）生產過程中最好使用含MnO₂80%以上的富礦，因為MnO₂含量最低的貧礦中Al、Si的氧化物含量較高，會導致KOH消耗量偏高 （填“偏高”或“偏低”）．
（3）電解槽中總的離子反應方程式為2MnO₄^2-+2H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2MnO₄^-+2OH^-+H₂↑．
（4）在傳統工藝中得到K₂MnO₄后，向其中通入適量CO₂反應生成黑色固體、KMnO₄等，反應的化學反應方程式為3K₂MnO₄+2CO₂═2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃．
上述反應中氧化劑與還原劑的質量比為1：2．與該傳統工藝相比，電解法的優勢是產率更高、KOH循環利用．
（5）用高錳酸鉀測定草酸結晶水合物的純度：稱草酸晶體樣品0.500g溶于水配制成100ml溶液，取出20.00ml用0.0200mol•L^-1的酸性KMnO₄溶液滴定（雜質不反應），至溶液呈淺粉紅色且半分鐘內不褪去，消耗KMnO₄溶液14.80mL，則該草酸晶體的純度為93.2%．（結果保留3位有效數字）（已知該草酸結晶水合物H₂C₂O₄•2H₂O的相對分子質量為126）

Answer 1

分析 軟錳礦（主要成分MnO₂）為原料，通過液相法生產KMnO₄．即在堿性條件下用氧氣氧化MnO₂得到K₂MnO₄，生成的二氧化錳循環使用，分離后得到的K₂MnO₄，再用惰性材料為電極電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，生成的KOH循環使用，
（1）堿性條件下用氧氣氧化MnO₂得到K₂MnO₄，根據得失電子守恒和原子守恒寫出相應的方程式；
（2）氧化鋁是兩性氧化物，氧化鋁能和強堿反應生成偏鋁酸鹽和水，所以會導致KOH消耗量偏高．
（3）在電解槽中用鉑板作用陽極，鐵作陰極電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，陰極上水得電子發生還原反應生成氫氣和氫氧根離子，陽極上錳酸根離子失電子反應氧化反應生成高錳酸根離子．
（4）根據題干信息可知反應物為K₂MnO₄、CO₂、生成黑色固體MnO₂、KMnO₄，根據原子守恒書寫化學反應方程式，根據方程式可知3molK₂MnO₄參加反應生成2molKMnO₄、1molMnO₂，據此判斷氧化劑與還原劑的質量之比；電解法陽極都生成KMnO₄，產率更高；
（5）發生反應：5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=10CO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O，根據方程式計算樣品中草酸的質量，進而計算草酸的質量分數．

解答 解：（1）二氧化錳和氫氧化鉀、氧氣發生反應，生成錳酸鉀和水，Mn（+4→+6），O（0→-2），反應的化學方程式為4KOH+2MnO₂+O₂=2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案為：4KOH+2MnO₂+O₂=2K₂MnO₄+2H₂O；
（2）氧化鋁是兩性氧化物，既能與強酸反應也能與強堿反應，氧化鋁和強堿反應生成偏鋁酸鹽和水，反應的化學方程式為2KOH+Al₂O₃=2KAlO₂+H₂O，所以會導致KOH消耗量偏高，
故答案為：偏高；
（3）電解錳酸鉀溶液時，陰極上水得電子生成氫氣和氫氧根離子，電極反應為2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，陽極上錳酸根離子失電子生成高錳酸根離子，電極反應式為2MnO₄^2--2e^-=2MnO₄^-，即MnO₄^2--e^-=MnO₄^-，則電極總反應為：2MnO₄^2-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2MnO₄^-+2OH^-+H₂↑，
故答案為：2MnO₄^2-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2MnO₄^-+2OH^-+H₂↑；
（4）反應物為K₂MnO₄、CO₂、生成黑色固體MnO₂、KMnO₄，所以的化學方程式為：3K₂MnO₄+2CO₂═2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃；
由化學反應方程式：3K₂MnO₄+2CO₂═2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃分析得出，3molK₂MnO₄參加反應生成2molKMnO₄、1molMnO₂，即3mol高錳酸鉀參與反應有1mol作氧化劑、2mol作還原劑，則反應中氧化劑與還原劑的質量比為1：2；
與該傳統工藝相比，電解法陽極都生成KMnO₄，產率更高，所以優勢是產率更高、KOH循環利用；
故答案為：3K₂MnO₄+2CO₂═2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃；1：2；產率更高、KOH循環利用；
（5）在測定過程中，高錳酸鉀為氧化劑，草酸為還原劑，反應的離子方程式為：5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=10CO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O，根據方程式可得關系式：
5H₂C₂O₄•2H₂O～2KMnO₄
5                             2
n                      0.02mol/L×14.8×10^-3L×$\frac{100ml}{20ml}$
解得：n（H₂C₂O₄•2H₂O）=3.7×10^-3mol
則m（H₂C₂O₄•2H₂O）=3.7×10^-3mol×126g/mol=0.4662g，
所以成品的純度為：$\frac{0.4662g}{0.500g}$×100%=93.2%，
故答案為：93.2%．

點評 本題考查實驗制備方案的設計、物質分離與提純方法的綜合應用，題目難度中等，涉及化學實驗基本操作、工藝流程、氧化還原反應滴定計算、物質含量的測定等知識，根據題中已知條件確定生成物并寫出反應方程式明確原理是解題關鍵，是對學生綜合能力的考查．