Question

9．工業(yè)用廢鐵屑還原軟錳礦（主要成分為MnO₂，另有少量的鐵和SiO₂等）制備硫酸錳．其工藝流程示意如圖：

（1）浸出過程中，MnO₂被鐵屑還原為Mn²⁺進(jìn)入溶液，該步驟中涉及的主要離子反應(yīng)有：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺═Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．
（2）除雜過程中加入碳酸鈣的目的是調(diào)節(jié)溶液的pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去．
（3）除鈣過程中，欲使Ca²⁺沉淀完全[當(dāng)溶液中c（Ca²⁺）≤10^-5mol•L^-1時(shí)，即可認(rèn)為Ca²⁺已沉淀完全]，則溶液中c（F^-）應(yīng)≥1×10^-3mol•L^-1，（已知該常溫下CaF₂的K_sp=1×10^-11）．
（4）該生產(chǎn)流程中，硫酸的用量不宜過多，其原因是避免生成CaSO₄沉淀．
（5）工業(yè)上可用電解硫酸錳和硫酸混合溶液的方法制備二氧化錳，Mn²⁺在陽極失電子轉(zhuǎn)化為MnO₂．

Answer 1

分析 （1）鐵還能夠與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，據(jù)此寫出反應(yīng)的離子方程式；
（2）在溶液中存在水解平衡：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃后，由于CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）、CO₃^2-+2H⁺═CO₂↑+H₂O，溶液中氫離子濃度減小，使得Fe³⁺的水解平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀；
（3）Ksp（CaF₂）=1×10^-11=c（Ca²⁺）×c²（F^-），當(dāng)溶液中c（Ca²⁺）≤10^-5mol•L^-1時(shí)，可認(rèn)為Ca²⁺已沉淀完全，則c（F^-）≥$\sqrt{\frac{1×1{0}^{-11}}{1{0}^{-5}}}$mol/L；
（4）鈣離子與硫酸根離子能夠反應(yīng)生成微溶物硫酸鈣．

解答 解：（1）鐵還能夠與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，反應(yīng)的離子方程式為：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑，
故答案為：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；
（2）在溶液中存在水解平衡：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃后，由于CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）、CO₃^2-+2H⁺═CO₂↑+H₂O，溶液中氫離子濃度減小，使得Fe³⁺的水解平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，因此Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去，
故答案為：調(diào)節(jié)溶液的pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去；
（3）Ksp（CaF₂）=1×10^-11=c（Ca²⁺）×c²（F^-），當(dāng)溶液中c（Ca²⁺）≤10^-5mol•L^-1時(shí)，可認(rèn)為Ca²⁺已沉淀完全，則c（F^-）≥$\sqrt{\frac{1×1{0}^{-11}}{1{0}^{-5}}}$mol/L=1×10^-3mol•L^-1，
故答案為：≥1×10^-3mol•L^-1；
（4）鈣離子與硫酸根離子能夠反應(yīng)生成微溶物硫酸鈣，若硫酸用量過多，溶液生成硫酸鈣沉淀，
故答案為：避免生成CaSO₄沉淀．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了制備方案的設(shè)計(jì)，題目難度中等，明確制備流程及發(fā)生原理為解答關(guān)鍵，注意掌握難溶物溶解平衡及溶度積的計(jì)算方法，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及化學(xué)計(jì)算、化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>