Question

9．污染物的有效去除和資源的充分利用是化學(xué)造福人類的重要研究課題．某研究小組利用軟錳礦（主要成分為MnO₂，另含有少量鐵、鋁、銅、鎳等金屬化合物）作脫硫劑，通過如下簡化流程既脫除燃煤尾氣中的SO₂，又制得電池材料MnO₂（反應(yīng)條件已省略）．

請(qǐng)回答下列問題：
（1）已知：25℃、101kPa時(shí)，Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ/mol
S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ/mol
Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1 065kJ/mol
SO₂與MnO₂反應(yīng)生成無水MnSO₄的熱化學(xué)方程式是MnO₂（s）+SO₂（g）═MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol．
（2）用離子方程式表示用MnCO₃除去Al³⁺和Fe³⁺的原理（任選其一即可）：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺．
（3）用離子方程式表示用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理（任選其一即可）：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺．
（4）MnO₂是堿性鋅錳電池的正極材料．堿性鋅錳電池放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式是MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-．
（5）MnO₂可作超級(jí)電容器材料．用惰性電極電解酸性MnSO₄溶液可制得MnO₂，其陽極的電極反應(yīng)式是Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．
（6）假設(shè)脫除的SO₂只與軟錳礦漿中MnO₂反應(yīng)．按照?qǐng)D示流程，將1.00m³（標(biāo)準(zhǔn)狀況）含SO₂體積分?jǐn)?shù)16.09%尾氣通入礦漿，若SO₂脫除率為89.60%，最終得到MnO₂的質(zhì)量為1.00kg，則除去鐵、鋁、銅、鎳等雜質(zhì)時(shí)，所引入錳元素相當(dāng)于MnO₂0.04 kg．

Answer 1

分析 二氧化硫能與二氧化錳反應(yīng)生成硫酸錳，用MnCO₃能除去溶液中Al³⁺和Fe³⁺，MnS將銅、鎳離子還原為單質(zhì)，高錳酸鉀能與硫酸錳反應(yīng)生成二氧化錳，通過過濾獲得二氧化錳，
（1）根據(jù)蓋斯定律將③-②-①可得SO₂與MnO₂反應(yīng)生成無水MnSO₄的瓜不，據(jù)此解題；
（2）從消耗溶液中的酸，促進(jìn)Al³⁺和Fe³⁺水解生成沉淀角度分析；
（3）用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理是利用沉淀轉(zhuǎn)化的書寫離子方程式；
（4）根據(jù)原電池工作原理判斷正極發(fā)生還原反應(yīng)，然后根據(jù)總反應(yīng)寫出正極的電極反應(yīng)式，二氧化錳得電子生成MnO（OH）；
（5）結(jié)合電荷守恒和原子守恒書寫電極反應(yīng)，錳離子在陽極失電子制得MnO₂；
（6）SO₂+MnO₂=MnSO₄，根據(jù)方程式結(jié)合元素守恒解題，反應(yīng)的二氧化硫的物質(zhì)的量為 $\frac{1.00×1000L}{22.4L/mol}$×16.09%×89.6%=6.436mol，根據(jù)SO₂+MnO₂=MnSO₄可知生成硫酸錳的物質(zhì)的量為0.436mol，最終生成的二氧化錳為1.00kg，結(jié)合化學(xué)方程式計(jì)算．

解答 解：（1）①M(fèi)n（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將③-②-①可得MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol，
故答案為：MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
（2）由于碳酸錳能消耗溶液中的酸，降低溶液的酸性，從而促進(jìn)Al³⁺和Fe³⁺水解生成氫氧化物沉淀，反應(yīng)的離子方程式為：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺，
故答案為：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺；
（3）用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理是利用沉淀轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)離子除雜，反應(yīng)的離子方程式為：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺ 或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺，
故答案為：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺ 或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺；
（4）原電池中負(fù)極失去電子，正極得到電子，因此堿性鋅錳電池放電時(shí)，正極是二氧化錳得到電子，則電極反應(yīng)式為：MnO₂+H₂O+e^-=MnO（OH）+OH^-，
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-．
（5）MnO₂可作超級(jí)電容器材料．用惰性電極電解酸性MnSO₄溶液可制得MnO₂，錳離子在陽極失電子：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；
（6）反應(yīng)的二氧化硫的物質(zhì)的量為 $\frac{1.00×1000L}{22.4L/mol}$×16.09%×89.6%=6.436mol，
根據(jù)SO₂+MnO₂=MnSO₄可知生成硫酸錳的物質(zhì)的量為0.436mol，最終生成的二氧化錳為1.00kg，設(shè)消耗硫酸錳的物質(zhì)的量為x．
2KMnO₄+3MnSO₄+2H₂O═5MnO₂+2H₂SO₄+K₂SO₄
         3                          87×5g
         x                         1000.0g      
x=$\frac{3×1000g}{87×5}$=6.897mol，
除去鐵、鋁、銅、鎳等雜質(zhì)時(shí)，所引入的錳元素（6.897-6.436）mol=0.461mol，
相當(dāng)于MnO₂的質(zhì)量0.461mol×87g/mol=40.107g=0.04kg，
故答案為：0.04．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式、原電池、電解池和化學(xué)計(jì)算等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，難度中等．