Question

10．生產(chǎn)MnO₂和Zn的工藝簡化流程如圖所示（中間產(chǎn)物的固體部分已經(jīng)略去）：

軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%．濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺．
試求下列問題：
（1）步驟①中軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時(shí)可析出硫，且金屬元素均轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽（鐵元素以+3價(jià)存在）．則其中MnO₂和FeS發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O．
（2）步驟③中的MnO₂也可用下列B（填字母）物質(zhì)代替（不考慮Mn²⁺的反應(yīng)）．
A．KMnO₄固體   B．H₂O₂  C．濃硝酸  D．新制氯水
（3）步驟⑤電解過程中陽極的電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺（使用惰性電極）．
（4）加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，則產(chǎn)品D為H₂SO₄（填化學(xué)式）．
（5）Ⅰ．將制得的MnO₂（s）與KOH（s）、KClO₃（s）按比例混合，加熱熔融（不斷攪拌）可得KCl和K₂MnO₄的固體混合物．
Ⅱ．再用5%的KOH溶液溶解得綠色（MnO₄^2-的顏色）溶液；
Ⅲ．向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘?jiān)黐含MnO₂（s）]；
Ⅳ．將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體．
①第Ⅲ步操作中“趁熱過濾”的目的是防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導(dǎo)致產(chǎn)率下降．
②寫出Ⅲ中生成KMnO₄的化學(xué)方程式：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃．
③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會(huì)使所得產(chǎn)品的純度降低，原因可能是通入過量CO₂會(huì)生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

Answer 1

分析 軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時(shí)可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應(yīng)生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應(yīng)生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫單質(zhì)、硫酸錳、硫酸鐵和水，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質(zhì)；
（3）電解過程中MnO₂應(yīng)在陽極生成，因Mn元素失去電子；
（4）電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸；
（5）①趁熱過濾防止高錳酸鉀析出；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘?jiān)�含MnO₂（s）將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產(chǎn)物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀；
③二氧化碳過量會(huì)生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質(zhì)．

解答 解：軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時(shí)可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應(yīng)生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應(yīng)生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫單質(zhì)、硫酸錳、硫酸鐵和水，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O，
故答案為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質(zhì)，
A．KMnO₄固體會(huì)氧化亞鐵離子，但會(huì)引入鉀離子，故A不符合；
B．H₂O₂ 可以氧化亞鐵離子，且不引入新的雜質(zhì)，故B符合；
C．濃硝酸會(huì)氧化亞鐵離子，但會(huì)引入硝酸根離子，故C不符合；
D．新制氯水可以氧化亞鐵離子，但會(huì)引入氯離子，故D不符合；
故答案為：B；
（3）因Mn元素失去電子，可知步驟④中電解過程中MnO₂在陽極析出，該電極上發(fā)生的反應(yīng)方程式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（4）加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，硫酸根離子不變，且生成氫離子，可知產(chǎn)品D的化學(xué)式為H₂SO₄，該物質(zhì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的意義是用于溶解軟錳礦和閃鋅礦，循環(huán)使用，
故答案為：H₂SO₄；
（5）①趁熱過濾防止高錳酸鉀析出，第Ⅲ步操作中“趁熱過濾”的目的是防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導(dǎo)致產(chǎn)率下降，
故答案為：防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導(dǎo)致產(chǎn)率下降；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘?jiān)�含MnO₂（s）將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產(chǎn)物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃，
故答案為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃；
③二氧化碳過量會(huì)生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質(zhì)，③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會(huì)使所得產(chǎn)品的純度降低，原因可能是通入過量CO₂會(huì)生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出，
故答案為：通入過量CO₂會(huì)生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

點(diǎn)評(píng) 本題考了物質(zhì)分離提純的實(shí)驗(yàn)過程分析，主要是離子性質(zhì)、離子分離、離子檢驗(yàn)、電解池原理和電極反應(yīng)書寫，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．