Question

16．高錳酸鉀[KMnO₄]是常用的氧化劑．工業(yè)上以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體．中間產(chǎn)物為錳酸鉀[K₂MnO₄]．如圖1是實(shí)驗(yàn)室模擬制備的操作流程：

相關(guān)資料：
 ①物質(zhì)溶解度

物質(zhì)	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②錳酸鉀[K₂MnO₄]外觀性狀：墨綠色結(jié)晶．其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）的特征顏色．
化學(xué)性質(zhì)：在強(qiáng)堿性溶液中穩(wěn)定，在酸性、中性和弱堿性環(huán)境下，MnO₄^2-會發(fā)生歧化反應(yīng)．
試回答下列問題：
（1）煅燒軟錳礦和KOH固體時(shí)，不采用石英坩堝而選用鐵坩堝的理由是高溫下強(qiáng)堿會和瓷坩堝中的二氧化硅反應(yīng)腐蝕坩堝；實(shí)驗(yàn)中用鐵坩堝煅燒暴露在空氣中的固體混合物發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，若CO₂過量會生成KHCO₃，導(dǎo)致得到的KMnO₄產(chǎn)品的純度降低．請寫出實(shí)驗(yàn)中通入適量CO₂時(shí)體系中可能發(fā)生反應(yīng)離子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；其中氧化還原反應(yīng)中氧化劑和還原劑的質(zhì)量比為1：2．
（3）由于CO₂的通人量很難控制，因此對上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，即把實(shí)驗(yàn)中通CO₂改為加其他的酸．從理論上分析，選用下列酸中A，得到的產(chǎn)品純度更高．
A．醋酸             B．濃鹽酸             C．稀硫酸
（4）工業(yè)上一般采用惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，試寫出該電解反應(yīng)的化學(xué)方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
傳統(tǒng)工藝采用無膜電解法由于副反應(yīng)發(fā)生，Mn元素利用率和電流效率都會偏低．有同學(xué)聯(lián)想到離子交換膜法電解飽和食鹽水提出改進(jìn)方法：可用陽離子交換膜分隔兩極區(qū)進(jìn)行電解（如圖2）．圖中A口加入的溶液最好為KOH溶液．使用陽離子交換膜可以提高M(jìn)n元素利用率的原因?yàn)殛栯x子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原．

Answer 1

分析 以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體，軟錳礦固體和KOH固體混合在鐵坩堝中煅燒，得到墨綠色熔塊，為錳酸鉀，冷卻后溶于水其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）在堿溶液中的特征顏色，邊加熱邊通入適量二氧化碳?xì)怏w，調(diào)節(jié)溶液PH趁熱過濾得到二氧化錳固體和高錳酸鉀溶液，冷卻結(jié)晶得到高錳酸鉀晶體；
（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)，坩堝被腐蝕，用鐵坩堝煅燒暴露在空氣中的固體混合物，二氧化錳、氫氧化鉀、氧氣發(fā)生反應(yīng)生成錳酸鉀和水；
（2）工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄；氧化還原反應(yīng)中氧化劑是元素化合價(jià)降低的物質(zhì)，還原劑是元素化合價(jià)升高的物質(zhì)，結(jié)合化學(xué)方程式定量關(guān)系和電子守恒計(jì)算；
（3）分析鹽酸具有還原性容易被高錳酸鉀氧化，使產(chǎn)品變質(zhì)，硫酸反應(yīng)生成的硫酸鉀溶解度小，會隨高錳酸鉀晶體析出；
（4）惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳酸根離子在陽極失電子生成高錳酸根離子，溶液中氫離子在陰極得到電子生成氫氣，溶液中氫氧根離子濃度增大生成堿，陽離子交換膜分隔兩極區(qū)進(jìn)行電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，陽離子移向方向可知左邊電極為陽極，右邊冒氣泡的電極為陰極，為維持電解質(zhì)溶液電荷守恒，A處最好加入氫氧化鉀溶液，使用陽離子交換膜可以提高M(jìn)n元素利用率是因?yàn)殛栯x子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)．

解答 解：（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)，坩堝被腐蝕，加熱軟錳礦和KOH固體時(shí)，不采用瓷坩堝而選用鐵坩堝；用鐵坩堝煅燒暴露在空氣中的固體混合物加熱條件下，二氧化錳、氫氧化鉀和氧氣反應(yīng)生成錳酸鉀和水，反應(yīng)方程式為：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案為：高溫下強(qiáng)堿會和瓷坩堝中的二氧化硅反應(yīng)腐蝕坩堝；2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（2）工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時(shí)，會有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，實(shí)驗(yàn)中通入適量CO₂時(shí)體系中可能發(fā)生反應(yīng)離子方程式為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，其中氧化還原反應(yīng)中氧化劑和還原劑都是高錳酸鉀，所以氧化劑和還原劑的質(zhì)量比即為反應(yīng)的物質(zhì)的量之比為1：2；
故答案為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；1：2；
（3）因?yàn)辂}酸具有還原性，易被高錳酸鉀氧化，醋酸鉀的溶解度比硫酸鉀大的多，蒸發(fā)濃縮時(shí)基本上都會留在母液中，硫酸加入生成的硫酸鉀溶解度小，會隨KMnO₄一起結(jié)晶析出得到的高錳酸鉀中含有雜質(zhì)；
故答案為：A；
（4）惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳酸根離子在陽極失電子生成高錳酸根離子，溶液中氫離子在陰極得到電子生成氫氣，溶液中氫氧根離子濃度增大生成堿，電解反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH，陽離子交換膜分隔兩極區(qū)進(jìn)行電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，陽離子移向方向可知左邊電極為陽極，右邊冒氣泡的電極為陰極，為維持電解質(zhì)溶液電荷守恒，A處最好加入氫氧化鉀溶液，使用陽離子交換膜可以提高M(jìn)n元素利用率是因?yàn)殛栯x子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原；
故答案為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；陽離子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原．

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(jì)算和對工藝流程的理解、閱讀題目獲取信息的能力等，難度中等，需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識與靈活運(yùn)用知識解決問題的能力．