Question

7．二氧化錳是制造鋅錳干電池的基本材料．工業(yè)上以軟錳礦為原料，利用硫酸亞鐵制備高純二氧化錳的流程如圖1：

某軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分陽離子以氫氧化物或硫化物的形式完全沉淀時溶液的pH如表，回答下列問題

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，酸浸時發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為MnO₂+2FeSO₄+2H₂SO₄═MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）濾渣A的主要成分是SiO₂；濾渣B的主要成分是Fe（OH）₃、Al（OH）₃．
（3）加入MnS的目的是除去Cu²⁺、Zn²⁺雜質(zhì)．可能原因是CuS、ZnS的溶解度較MnS�。�
（4）堿性鋅錳電池是一種一次性電池，其結(jié)構(gòu)如圖2所示．該電池放電過程產(chǎn)生MnOOH．該電池的正極反應(yīng)式為MnO₂+H₂O+e^-═MnO（OH）+OH^-，電池總反應(yīng)的方程式為Zn+2MnO₂+2H₂O═2MnOOH+ZnOH）₂．
（5）利用該堿性鋅錳電池電解NO制備NH₄NO₃，其工作原理如圖3所示，X電極陰極，電解時陽極的電極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃，需補充物質(zhì)A，A是NH₃．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調(diào)節(jié)pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）根據(jù)FeSO₄在反應(yīng)條件下將MnO₂還原為MnSO₄，則Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成；
（2）由題目信息可知，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，結(jié)合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH進行判斷；
（3）根據(jù)工藝流程及硫化物的K_sp判斷；
（4）在反應(yīng)中Zn元素化合價升高，被氧化，Zn為負(fù)極反應(yīng)，Mn元素化合價降低，被還原，MnO₂為正極反應(yīng)，依據(jù)電荷守恒和電子守恒書寫電極反應(yīng)，結(jié)合正負(fù)極電極反應(yīng)得到反應(yīng)的總化學(xué)方程式；
（5）工業(yè)上電解NO制備 NH₄NO₃，由裝置圖可知陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，NO被氧化生成NO₃^-，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，NO被還原生成NH₄⁺，陽極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應(yīng)為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，依據(jù)電解方程式判斷解答．

解答 解：軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調(diào)節(jié)pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）FeSO₄在反應(yīng)條件下將MnO₂還原為MnSO₄，F(xiàn)e²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成，反應(yīng)方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案為：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后硅不反應(yīng)，濾渣A為SiO₂，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水調(diào)pH至5.4，結(jié)合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH可知，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺完全轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，其它離子不沉淀，故濾渣B的主要成分為Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案為：SiO₂，F(xiàn)e（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）由題中硫化物的K_sp可知，加入MnS是為了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，
故答案為：CuS、ZnS的溶解度較MnS小；
（4）在反應(yīng)中Zn元素化合價升高，被氧化，Zn為負(fù)極反應(yīng)，負(fù)極電極反應(yīng)式為Zn+2OH^--2e^-═Zn（OH）₂，Mn元素化合價降低，被還原，MnO₂為正極反應(yīng)，正極反應(yīng)式為MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Zn+2MnO₂+2H₂O═2MnOOH+ZnOH）₂
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-，Zn+2MnO₂+2H₂O+2e^-═2MnOOH+ZnOH）₂；
（5）離子移動方向可知X為陰極，Y為陽極，電解NO制備NH₄NO₃，Y陽極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，X陰極反應(yīng)為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；電解NO制備NH₄NO₃，陽極反應(yīng)為5NO-15e^-+10H₂O=5NO₃^-+20H^-，陰極反應(yīng)為：3NO+15e^-+18H⁺=3NH₄⁺+3H₂O，總反應(yīng)方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃，需補充NH₃，反應(yīng)生成硝酸溶液顯酸性；
故答案為：陰，NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，NH₃；

點評 本題考查學(xué)生對元素及其化合物的主要性質(zhì)的掌握、書寫電極反應(yīng)方程式、閱讀題目獲取新信息能力、對工藝流程的理解等，難度中等，需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)與綜合運用知識、信息分析解決問題能力．