Question

20．二氧化錳是制造鋅錳干電池的基本材料．工業上以軟錳礦為原料，利用硫酸亞鐵制備高純二氧化錳的流程如圖：

某軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分陽離子以氫氧化物或硫化物的形式完全沉淀時溶液的pH見下表，回答下列問題：

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）FeSO₄在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，酸浸時發生的主要反應的化學方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）pH要調到5.4，應該使用pH計或精密pH試紙（填寫儀器或試劑名稱）．濾渣A的主要成分是Fe（OH）₃和Al（OH）₃．
（3）加入MnS的目的是除去Cu²⁺、Zn²⁺雜質．
（4）堿性鋅錳電池中，MnO₂參與的電極反應方程式為MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-．
（5）從廢舊堿性鋅錳電池中可以回收利用的物質有鋅、二氧化錳（寫兩種）．
（6）已知25℃時，K_sp[Fe（OH）₃]=2.79×10^-39，該溫度下反應Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O的平衡常數K=2.79×10³．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調節pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）根據FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，則Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據元素守恒還有水生成；
（2）調節溶液的pH值要用到pH計或精密pH試紙進行測量，由題目信息可知，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH進行判斷；
（3）根據工藝流程及硫化物的K_sp判斷；
（4）由堿性鋅錳干電池的電池反應式可知，Zn作負極，MnO₂得電子作正極，生成MnOOH，由電荷守恒可知還生成OH^-，由元素守恒可知，還有水參與反應；
（5）從堿性鋅錳干電池的原料判斷；
（6）根據K=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{K{\;}_{sp[Fe（OH）{\;}_{3}]}}{{K}_{w}}$計算；

解答 解：（1）根據FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據元素守恒還有水生成，反應方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案為：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）調節溶液的pH值要用到pH計或精密pH試紙進行測量，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水調pH至5.4，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH可知，Fe³⁺、Al³⁺完全轉化為Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，其它離子不沉淀，故濾渣A的主要成分為
Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案為：pH計或精密pH試紙；Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）根據題中硫化物的K_sp可知，加入MnS是為了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，
故答案為：Cu²⁺、Zn²⁺；
（4）堿性鋅錳干電池中Zn作負極，則MnO₂作正極得電子，其電極反應式應為MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-，
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（5）從堿性鋅錳干電池的原料可知，其廢舊電池可回收利用的物質為鋅和MnO₂，
故答案為：鋅、二氧化錳；
（6）由離子方程式可知，K=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{K{\;}_{sp[Fe（OH）{\;}_{3}]}}{{K}_{w}}$=$\frac{2.79×10{\;}^{-39}}{（1×1{0}^{-14}）^{3}}$=2.79×10³，
故答案為：2.79×10³．

點評 考查學生對元素及其化合物的主要性質的掌握、書寫電極反應方程式、閱讀題目獲取新信息能力、對工藝流程的理解等，難度中等，需要學生具備扎實的基礎與綜合運用知識、信息分析解決問題能力．