Question

某種碳酸錳礦的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、MgO、SiO₂、Al₂O₃等．已知碳酸錳難溶于水．一種運用陰離子膜電解法的新技術(shù)可用于從碳酸錳礦中提取金屬錳，流程如下：

陰離子膜法電解裝置如圖所示：

（1）寫出用稀硫酸溶解碳酸錳反應(yīng)的離子方程式：

 

．
（2）已知Ksp （Fe（OH）₃）=4×10^-38，假設(shè)溶液中Fe³⁺離子濃度為0.1mol?L^-1，則開始生成Fe（OH）₃ 沉淀的pH是

 

，沉淀完全的pH是

 

．（可能用到的數(shù)據(jù)：lg

3	0.4

=-0.1  lg

3	4

=0.2）
（3）已知不同金屬離子生成氫氧化物沉淀所需的pH如下表：

離子	Fe3+	A13+	Fe2+	Mn2+	Mg2+
開始沉淀的pH	1.2	3.7	7.0	7.8	9.3
沉淀完全的pH	3.7	4.7	9.6	9.8	10.8

加氨水調(diào)節(jié)溶液的pH等于6，則“濾渣（待處理）”的成分是

 

 （寫化學(xué)式），濾液中含有的陽離子有H⁺和

 

（寫符號）．
（4）在浸出液里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣A中也無MnO₂，請用離子方程式解釋原因：

 

．
（5）電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則A電極是直流電源的

 

極．實際生產(chǎn)中，陽極以稀硫酸為電解液，陽極的電極反應(yīng)式為

 

．
（6）該工藝之所以采用陰離子交換膜，是為了防止Mn²⁺進入陽極區(qū)發(fā)生副反應(yīng)生成MnO₂造成資源浪費，寫出該副反應(yīng)的電極反應(yīng)式：

 

．

Answer 1

考點：物質(zhì)分離和提純的方法和基本操作綜合應(yīng)用,電解原理,制備實驗方案的設(shè)計

專題：實驗設(shè)計題,電化學(xué)專題

分析：將碳酸錳礦粉溶于稀硫酸中，MnCO₃、FeCO₃、MgO、Al₂O₃都和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽，酸性條件下，MnO₂被亞鐵離子還原生成Mn²⁺，SiO₂以沉淀析出，然后向浸出液中先加雙氧水、再加氨水，并調(diào)節(jié)溶液的pH到6，根據(jù)氫氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6時Fe³⁺、Al³⁺完全轉(zhuǎn)化為沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，則濾渣為Al（OH）₃、Fe（OH）₃，然后進一步精制，再利用陰離子交換膜電解，從而得到金屬Mn，
（1）碳酸錳和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸錳、二氧化碳和水；
（2）根據(jù)Ksp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）?c³（OH^-），鐵離子的濃度是1×10^-5mol/L，認為是完全沉淀，據(jù)此計算；
（3）根據(jù)氫氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6時Fe³⁺、Al³⁺完全轉(zhuǎn)化為沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺；
（4）酸性條件下，MnO₂被亞鐵離子還原，亞鐵離子被氧化生成Fe³⁺；
（5）電解時，電解溶液中陰離子向陽極移動，據(jù)此判斷陰陽極，連接電解池陰極的電極是原電池負極；陽極上氫氧根離子放電生成氧氣；
（6）錳離子不穩(wěn)定，能被氧氣氧化生成二氧化錳，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式．

解答： 解：將碳酸錳礦粉溶于稀硫酸中，MnCO₃、FeCO₃、MgO、Al₂O₃都和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽，酸性條件下，MnO₂被亞鐵離子還原生成Mn²⁺，SiO₂以沉淀析出，然后向浸出液中先加雙氧水、再加氨水，并調(diào)節(jié)溶液的pH到6，根據(jù)氫氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6時Fe³⁺、Al³⁺完全轉(zhuǎn)化為沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，則濾渣為Al（OH）₃、Fe（OH）₃，然后進一步精制，再利用陰離子交換膜電解，從而得到金屬Mn，
（1）碳酸錳和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸錳、二氧化碳和水，離子方程式為MnCO₃+2H⁺=Mn²⁺+CO₂↑+H₂O，故答案為：MnCO₃+2H⁺=Mn²⁺+CO₂↑+H₂O；
（2）Ksp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）?c³（OH^-），溶液中Fe³⁺離子濃度為0.1mol?L^-1，則開始生成Fe（OH）₃ 沉淀時，c（OH^-）=

3	Ksp c(Fe3+)

=

3	4×10-38 0.1

=

3	0.4×10-36

=

3	0.4

×10^-12，c（H⁺）=

10-2

3 0.4

，pH=1.9，當(dāng)鐵離子沉淀完全時，c（OH^-）=

3	Ksp c(Fe3+)

=

3	4×10-38 10-5

=

3	4×10-33

=

3	4

×10^-11，c（H⁺）=

10-3

3 4

，pH=3.2，故答案為：1.9；3.2；
（3）加入雙氧水時將亞鐵離子氧化為鐵離子，根據(jù)氫氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6時Fe³⁺、Al³⁺完全轉(zhuǎn)化為沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，所以濾渣的成分是Al（OH）₃、Fe（OH）₃，濾液中含有的陽離子有H⁺和Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，故答案為：Al（OH）₃、Fe（OH）₃；Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺；
（4）酸性條件下，MnO₂被亞鐵離子還原，亞鐵離子被氧化生成Fe³⁺，反應(yīng)為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（5）根據(jù)陰離子移動方向知，左邊電極是陰極、右邊電極是陽極，則連接陰極的電極A是電源負極，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，故答案為：負極；4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
（6）錳離子不穩(wěn)定，易被氧氣氧化生成二氧化錳，所以陽極反應(yīng)的副反應(yīng)為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．

點評：本題考查混合物的分離和提純，側(cè)重考查學(xué)生對知識的綜合運用能力，涉及電解原理、氧化還原反應(yīng)，知道流程圖中各個步驟發(fā)生的反應(yīng)、基本操作，題目難度較大．