Question

【題目】Zn是一種應(yīng)用廣泛的金屬。用閃鋅礦(主要成分為ZnS，還含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS、砷化合物雜質(zhì)等)為原料制備金屬Zn和ZnSO4·7H2O的流程如圖所示：

①相關(guān)金屬離子[c(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：

金屬離子	Fe3+	Fe2+	Zn2+	Cd2+
開始沉淀的pH	1.5	6.3	6.2	7.4
沉淀完全的pH	2.8	8.3	8.2	9.4

②FeAsO4難溶于水；ZnSO4·7H2O易溶于水，難溶于酒精。

回答下列問題：

(1)濾渣1的主要成分除SiO2外還有______，焙燒后產(chǎn)生的氣體對環(huán)境造成的常見危害為______。

(2)氧化除雜工序中加入ZnO的作用是___________。

(3)制得的ZnSO4·7H2O需洗滌，洗滌晶體時(shí)應(yīng)選用的試劑為____________。

(4)溶液中的Cd2＋可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應(yīng)的離子方程式為___________。不能省去“還原除雜”步驟，直接在“氧化除雜”步驟中除去Cd2＋，理由是________。

(5)回收所得的Cd可用于制造鎳鎘堿性二次電池，電池工作時(shí)，正極NiO(OH)轉(zhuǎn)化為Ni(OH)2，則充電時(shí)電池的陽極反應(yīng)式為_____________；沉積鋅后的電解液可返回______工序繼續(xù)使用。

(6)酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時(shí)加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發(fā)生反應(yīng)生成FeAsO4，寫出該反應(yīng)的離子方程式為___________。

Answer 1

【答案】PbSO4 酸雨 調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe3+沉淀完全 酒精（或飽和硫酸鋅溶液） Zn+Cd2+= Zn2++Cd 在氧化除雜工序中加ZnO是為了調(diào)節(jié)溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要調(diào)節(jié)為9.4，此時(shí)Zn2+也會完全沉淀 Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O 酸浸 5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O

【解析】

焙燒過程中發(fā)生的反應(yīng)有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙燒過程中生成的氣體是SO2，焙燒后的主要成分變?yōu)?/span>ZnO，還存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，發(fā)生一系列反應(yīng)，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO與稀硫酸反應(yīng)分別生成硫酸鋅、硫酸鐵、硫酸鉛、硫酸鎘，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下來，所以濾渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質(zhì)，加入酸性高錳酸鉀溶液能使溶液中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>Fe3+，有利于除雜，同時(shí)根據(jù)第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時(shí)加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發(fā)生反應(yīng)生成FeAsO4，可知濾渣2為Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）問可知，還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，則濾渣3為Cd以及過量的鋅粉，則得到的濾液為含硫酸鋅的溶液，經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥、得到ZnSO4·7H2O，經(jīng)過電解得到金屬Zn，據(jù)此分析解答。

焙燒過程中發(fā)生的反應(yīng)有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙燒過程中生成的氣體是SO2，焙燒后的主要成分變?yōu)?/span>ZnO，還存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，發(fā)生一系列反應(yīng)，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO與稀硫酸反應(yīng)分別生成硫酸鋅、硫酸鐵、硫酸鉛、硫酸鎘，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下來，所以濾渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質(zhì)，加入酸性高錳酸鉀溶液能使溶液中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>Fe3+，有利于除雜，同時(shí)根據(jù)第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時(shí)加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發(fā)生反應(yīng)生成FeAsO4，可知濾渣2為Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）問可知，還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，則濾渣3為Cd以及過量的鋅粉，則得到的濾液為含硫酸鋅的溶液，經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥、得到ZnSO4·7H2O，經(jīng)過電解得到金屬Zn，

(1)由以上分析可知，濾渣1的主要成分除SiO2外還有PbSO4；焙燒后產(chǎn)生的氣體為SO2，其對環(huán)境造成的常見危害為酸雨，故答案為：PbSO4；酸雨；

(2)由以上分析知，氧化除雜工序中加入ZnO的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀，且不引入雜質(zhì)，故答案為：調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe3+沉淀完全；

(3)已知ZnSO4·7H2O易溶于水，難溶于酒精，則為了減少洗滌過程中晶體的損失，可以用酒精或者飽和硫酸鋅溶液洗滌晶體，故答案為：酒精（或飽和硫酸鋅溶液）；

(4)還原除雜工序加入鋅粉，可以還原Cd2+為金屬Cd，從而除去Cd，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為Zn+Cd2+= Zn2++Cd；根據(jù)Cd2+、Zn2+沉淀的pH可知，若直接在“氧化除雜”步驟中除去Cd2＋，溶液的pH至少需要調(diào)節(jié)為9.4，此時(shí)Zn2+也會完全沉淀，因此需要在“還原除雜”步驟中除去Cd2+，故答案為：Zn+Cd2+= Zn2++Cd；在氧化除雜工序中加ZnO是為了調(diào)節(jié)溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要調(diào)節(jié)為9.4，此時(shí)Zn2+也會完全沉淀；

(5)電池工作時(shí)，正極NiO(OH)轉(zhuǎn)化為Ni(OH)2，則放電時(shí)，正極反應(yīng)式為：NiO(OH)+H2O+ e- = Ni(OH)2 +OH-，充電時(shí)，陽極發(fā)生的反應(yīng)為放電時(shí)正極反應(yīng)的逆過程，則陽極反應(yīng)式為：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；電解硫酸鋅溶液制備鋅單質(zhì)時(shí)，陰極鋅離子得電子析出金屬鋅，陽極為水電離出的氫氧根離子放電，電極反應(yīng)式為：2H2O-4e- =O2↑+4H+，則電解后溶液生成稀硫酸，所以沉積鋅后的電解液可返回酸浸工序繼續(xù)使用，故答案為：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；酸浸；

(6)已知酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除雜時(shí)加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可與AsO33－發(fā)生反應(yīng)生成FeAsO4，As的化合價(jià)根據(jù)得失電子守恒，電荷守恒、元素守恒，寫出該反應(yīng)的離子方程式為5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O，故答案為：5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O。