Question

【题目】锰是一种非常重要的金属元素，在很多领域有着广泛的应用。利用废铁屑还原浸出低品位软锰矿制备硫酸锰，然后进行电解，是制备金属锰的新工艺，其流程简图如下：

已知：

i. 低品位软锰矿主要成份有MnO2、Al2O3、Fe2O3、Cu2(OH)2CO3、CaCO3、SiO2等。

ii. 部分金属离子以氢氧化物沉淀时的pH

	Fe2+	Fe3+	Al3+	Mn2+	Cu2+
开始沉淀的pH	6.8	1.8	3.7	8.6	5.2
沉淀完全的pH	8.3	2.8	4.7	10.1	6.7

iii. 几种化合物的溶解性或溶度积(Ksp)

MnF2	CaS	MnS	FeS	CuS
溶于水	溶于水	2.5×10－13	6.3×10－18	6.3×10－36

(1)研究表明，单质Fe和Fe2+都可以还原MnO2。在硫酸存在的条件下，MnO2将Fe氧化为span>Fe3+的离子方程式是____________。

(2)清液A先用H2O2处理，然后加入CaCO3，反应后溶液的pH≈5。滤渣a的主要成分中有黄铵铁矾NH4Fe3(SO4)2(OH)6。

①H2O2的作用是____________(用离子方程式表示)。

②滤渣a中除了黄铵铁矾，主要成分还有X。用平衡移动原理解释产生x的原因：____________。

(3)用离子方程式表示MnS固体的作用：____________。

(4)滤渣c的成分是____________。

(5)如下图所示装置，用惰性电极电解中性MnSO4溶液可以制得金属Mn。阴极反应有：

i. Mn2++2e－＝Mn ii. 2H++2e－＝H2↑

电极上H2的产生会引起锰起壳开裂，影响产品质量。

①电解池阳极的电极方程式是________________。

②清液C需要用氨水调节pH＝7的原因是____________。

③电解时，中性MnSO4溶液中加入(NH4)2SO4的作用除了增大溶液导电性之外，还有___________(结合电极反应式和离子方程式解释)。

Answer 1

【答案】3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O 2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸钙，消耗H+，H+浓度降低，平衡向右移动，最终生成Al(OH)3 MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s) CaF2 2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O) 降低c(H+)，减弱H+的放电趋势(放电能力)，使阴极上产生的H2减少 阴极2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，防止溶液中因为pH过大而产生Mn(OH)2

【解析】

由流程图可知，软锰矿加入Fe和H2SO4，MnO2将Fe氧化为Fe3+，本身被还原为Mn2+，经过滤除去不溶的SiO2。清液A中含有Mn2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Cu2+和Ca2+等离子，在清液A中加入H2O2可将Fe2+氧化为Fe3+，加入碳酸钙调节溶液的pH，产生黄铵铁矾NH4Fe3(SO4)2(OH)6和氢氧化铝沉淀，除去Fe2+、Fe3+、Al3+。清液B中含有Mn2+、Cu2+和Ca2+等离子，在清液B中加入MnS固体，生成CuS沉淀，除去Cu2+。清液C中含有Mn2+和Ca2+等离子，在清液C中加入MnF2可将Ca2+转化为CaF2沉淀而除去。最后加氨水调节溶液pH=7，电解中性MnSO4溶液制取Mn，以此分析。

(1)根据以上分析，在硫酸存在的条件下，MnO2将Fe氧化为Fe3+，本身被还原为Mn2+，根据得失电子守恒，离子方程式是3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O。

故答案为：3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O；

(2) ①黄铵铁矾NH4Fe3(SO4)2(OH)6中的铁为+3价，所以H2O2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+，

离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O。

故答案为：2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O；

②分析流程图可知，滤渣a中除了黄铵铁矾，主要成分还有Al(OH)3。产生Al(OH)3的原因是Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸钙，消耗H+，H+浓度降低，平衡向右移动，最终生成Al(OH)3。

故答案为：Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸钙，消耗H+，H+浓度降低，平衡向右移动，最终生成Al(OH)3

(3) 分析流程图可知，加入MnS固体，生成CuS沉淀，发生沉淀转化，除去Cu2+，离子方程式为：MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s)。

故答案为：MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s)；

(4) 在清液C中加入MnF2可将Ca2+转化为CaF2沉淀而除去，所以滤渣c的成分是CaF2。

故答案为：CaF2；

(5)①用惰性电极电解中性MnSO4溶液，电解池阳极发生氧化反应，电极方程式是2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O)。

故答案为：2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O)

②根据信息，电极上H2的产生会引起锰起壳开裂，影响产品质量，所以清液C需要用氨水调节pH＝7，降低c(H+)，减弱H+的放电趋势(放电能力)，使阴极上产生的H2减少。

故答案为：降低c(H+)，减弱H+的放电趋势(放电能力)，使阴极上产生的H2减少；

③电解时，阴极发生2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，为防止溶液中因为pH过大而产生Mn(OH)2，则加入(NH4)2SO4控制pH不过大。

故答案为：阴极2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，防止溶液中因为pH过大而产生Mn(OH)2。