Question

5．工業(yè)上用軟錳礦（主要成分是二氧化錳）制取高錳酸鉀和軟磁鐵氧體材料Mn_xO₄，其流程如下（部分條件和產(chǎn)物省略）：

請回答下列問題：
（1）K₂MnO₄中錳元素的化合價是+6．
（2）寫出粉碎礦石和氫氧化鉀熔融物中通入空氣時，發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（3）分析下表數(shù)據(jù)．工業(yè)上采用Ⅲ得到較純凈的高錳酸鉀，Ⅲ中包含的操作名稱是蒸發(fā)結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥．

溫度/℃ 溶解度/g	10	20	30	40	60
KC2O3	107	109	111	114	126
KMnO4	2.83	4.31	6.34	9.03	12.6

（4）上述工業(yè)流程中試劑X的最佳物質(zhì)是（填化學(xué)式）Ca（OH）₂（或CaO）；設(shè)計步驟Ⅳ的目的是循環(huán)利用二氧化錳、氫氧化鉀，提高原料利用率．
（5）通過煅燒MnSO₄•H₂O可制得軟磁鐵氧體材料Mn_xO₄．下圖是煅燒MnSO₄•H₂O時溫度與剩余固體質(zhì)量變化的曲線．該曲線中A段所表示物質(zhì)的化學(xué)式是MnSO₄；Mn_xO₄中x=3．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，由工藝流程轉(zhuǎn)化關(guān)系可知，MnO₂、KOH的熔融混合物中通入空氣時發(fā)生反應(yīng)生成K₂MnO₄，向K₂MnO₄溶液中通入CO₂制備KMnO₄、還生成K₂CO₃、MnO₂，通過過濾，分離出二氧化錳，濾液中含KMnO₄和K₂CO₃，根據(jù)KMnO₄和K₂CO₃在溶解性上不同采用蒸發(fā)結(jié)晶的方式可分離出高錳酸鉀和碳酸鉀，對粗高錳酸鉀進(jìn)行重結(jié)晶、干燥得到純凈的高錳酸鉀；向碳酸鉀溶液中加入石灰生成碳酸鈣和氫氧化鉀．
（1）根據(jù)物質(zhì)錳酸鉀的化學(xué)式K₂MnO₄，利用化合物中各元素的化合價代數(shù)和為0的原則，由化合物中K、O元素為+1、-2價，計算化合物中Mn元素的化合價；
（2）由工藝流程轉(zhuǎn)化關(guān)系可知，MnO₂、KOH的熔融混合物中通入空氣時發(fā)生反應(yīng)生成K₂MnO₄，根據(jù)元素守恒還應(yīng)生成水．反應(yīng)中錳元素由+4價升高為+6價，總升高2價，氧元素由0價降低為-2價，總共降低4價，化合價升降最小公倍數(shù)為4，所以MnO₂系數(shù)2，O₂系數(shù)為1，根據(jù)錳元素守恒確定K₂MnO₄系數(shù)，根據(jù)鉀元素守恒確定KOH系數(shù)，根據(jù)氫元素守恒確定H₂O系數(shù)；
（3）分離易溶于水的兩種溶質(zhì)根據(jù)其溶解度差異性，高錳酸鉀溶解度受溫度影響較小采用蒸發(fā)結(jié)晶方法；
（4）試劑X是將碳酸鉀反應(yīng)生成氫氧化鉀，宜選擇石灰乳（或生石灰），制備中利用的原料，在轉(zhuǎn)化過程中又生成的可以循環(huán)利用；
（5）MnSO₄•H₂O在高溫下易分解，產(chǎn)物是Mn_xO₄、含硫化合物、水，依據(jù)固體質(zhì)量-分解溫度的關(guān)系圖象，分析質(zhì)量變化與對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，求解A段所表示物質(zhì)的化學(xué)式和x的值．

解答 解：（1）設(shè)化合物K₂MnO₄中Mn元素化合價為n價，依化合物中各元素化合價代數(shù)和為零的原則，有（+1）×2+n+（-2）×4=0，解之得n=+6，
故答案為：+6；
（2）由工藝流程轉(zhuǎn)化關(guān)系可知，MnO₂、KOH的熔融混合物中通入空氣時發(fā)生反應(yīng)生成K₂MnO₄，根據(jù)元素守恒還應(yīng)生成水．反應(yīng)中錳元素由+4價升高為+6價，總升高2價，氧元素由0價降低為-2價，總共降低4價，化合價升降最小公倍數(shù)為4，所以MnO₂系數(shù)2，O₂系數(shù)為1，根據(jù)錳元素守恒確定K₂MnO₄系數(shù)為2，根據(jù)鉀元素守恒確定KOH系數(shù)為4，根據(jù)氫元素守恒確定H₂O系數(shù)為2，所以反應(yīng)化學(xué)方程式為2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案為：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（3）分離易溶于水的兩種溶質(zhì)根據(jù)其溶解度差異性采用蒸發(fā)結(jié)晶方法，KMnO₄和K₂CO₃都易溶于水但二者溶解度不同且相差較大，高錳酸鉀溶解度受溫度影響較小，所以操作Ⅲ根據(jù)KMnO₄和K₂CO₃兩物質(zhì)在溶解度上的差異，采用蒸發(fā)濃縮結(jié)晶、趁熱過濾得到KMnO₄粗晶體，洗滌干燥得到較純凈的高錳酸鉀，
故答案為：蒸發(fā)結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥；
（4）試劑X是將碳酸鉀反應(yīng)生成氫氧化鉀，所以從經(jīng)濟(jì)性考慮試劑X宜選擇石灰乳（或生石灰），上述流程中，步驟IV和V都是物質(zhì)循環(huán)利用，其目的是循環(huán)利用二氧化錳、氫氧化鉀，提高原料利用率，
故答案為：Ca（OH）₂（或CaO）；循環(huán)利用二氧化錳、氫氧化鉀，提高原料利用率；
（5）探究物質(zhì)的變化規(guī)律時，運(yùn)用了物質(zhì)的質(zhì)量守恒和元素的質(zhì)量守恒法．MnSO₄•H₂O在高溫下易分解，101.4克的MnSO₄•H₂O物質(zhì)的量為：$\frac{101.4g}{169g/mol}$=0.6mol，根據(jù)錳元素守恒，MnSO₄•H₂O分解時，先轉(zhuǎn)變?yōu)镸nSO₄和H₂O，質(zhì)量為：0.6mol×151g/mol=90.60g，所以圖2曲線中A段質(zhì)量減少：101.4-90.60=10.8克為水，所以該曲線中A段所表示物質(zhì)的化學(xué)式為MnSO₄，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知：B固體質(zhì)量為45.80克，為Mn_xO₄，根據(jù)錳元素守恒，Mn_xO₄的物質(zhì)的量為$\frac{0.6}{x}$mol，則$\frac{0.6}{x}$mol×（55x+16×4）g/mol=45.80g，x=3，
此時發(fā)生的反應(yīng)為：3MnSO₄•H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Mn₃O₄+SO₂↑+2SO₃↑+3H₂O，
故答案為：MnSO₄；3．

點(diǎn)評 本題考查常見氧化劑與還原劑、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)計算和對工藝流程的理解、閱讀題目獲取信息的能力等，解答本題時要充分理解圖中提供的信息，只有理解了圖中信息才能對問題做出正確的判斷，題目難度中等．