Question

12．高锰酸钾[KMnO₄]是常用的氧化剂．工业上以软锰矿（主要成分是MnO₂）为原料制备高锰酸钾晶体．中间产物为锰酸钾[K₂MnO₄]．图1是实验室模拟制备的操作流程：

相关资料：
①物质溶解度

物质	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②锰酸钾[K₂MnO₄]
外观性状：墨绿色结晶．其水溶液呈深绿色，这是锰酸根（MnO₄^2-）的特征颜色．
化学性质：在强碱性溶液中稳定，在酸性、中性和弱碱性环境下，MnO₄^2-会发生歧化反应．
试回答下列问题：
（1）煅烧软锰矿和KOH固体时，不采用石英坩埚而选用铁坩埚的理由是强碱腐蚀石英；
（2）实验时，若CO₂过量会生成KHCO₃，导致得到的KMnO₄产品的纯度降低．请写出实验中通入适量CO₂时体系中可能发生反应离子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O（或3MnO₄^2-+3CO₂+2OH^-═2MnO₄^-+MnO₂↓+H₂O+3CO₃^2-）；其中氧化还原反应中氧化剂和还原剂的质量比为1：2．
（3）由于CO₂的通入量很难控制，因此对上述实验方案进行了改进，即把实验中通CO₂改为加其他的酸．从理论上分析，选用下列酸中A，得到的产品纯度更高．
A．醋酸           B．浓盐酸            C．稀硫酸
（4）工业上采用惰性电极电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，试写出该电解反应的化学方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH．
提出改进方法：可用阳离子交换膜分隔两极区进行电解（如图2）．
图2中A口加入的溶液最好为KOH溶液．使用阳离子交换膜可以提高Mn元素利用率的原因为阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原．

Answer 1

分析 以软锰矿（主要成分是MnO₂）为原料制备高锰酸钾晶体，软锰矿固体和KOH固体混合在铁坩埚中煅烧，得到墨绿色熔块，为锰酸钾，冷却后溶于水其水溶液呈深绿色，这是锰酸根（MnO₄^2-）在碱溶液中的特征颜色，边加热边通入适量二氧化碳气体，调节溶液PH趁热过滤得到二氧化锰固体和高锰酸钾溶液，冷却结晶得到高锰酸钾晶体，
（1）瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应，坩埚被腐蚀；
（2）工艺流程可知，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，会生KHCO₃，滤液中含有KHCO₃、KMnO₄；氧化还原反应中氧化剂是元素化合价降低的物质，还原剂是元素化合价升高的物质，结合化学方程式定量关系和电子守恒计算；
（3）分析盐酸具有还原性容易被高锰酸钾氧化，使产品变质，硫酸反应生成的硫酸钾溶解度小，会随高锰酸钾晶体析出；
（4）惰性电极电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，锰酸根离子在阳极失电子生成高锰酸根离子，溶液中氢离子在阴极得到电子生成氢气，溶液中氢氧根离子浓度增大生成碱，阳离子交换膜分隔两极区进行电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，阳离子移向方向可知左边电极为阳极，右边冒气泡的电极为阴极，为维持电解质溶液电荷守恒，A处最好加入氢氧化钾溶液，使用阳离子交换膜可以提高Mn元素利用率是因为阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区．

解答 解：（1）瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应，坩埚被腐蚀，所以煅烧软锰矿和KOH固体时，不采用瓷坩埚而选用铁坩埚理由是强碱腐蚀石英
故答案为：强碱腐蚀石英；
（2）工艺流程可知，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，会生KHCO₃，滤液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加热浓缩时，会有KHCO₃晶体和KMnO₄晶体一起析出，实验中通入适量CO₂时体系中可能发生反应离子方程式为：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，其中氧化还原反应中氧化剂和还原剂都是高锰酸钾，所以氧化剂和还原剂的质量比即为反应的物质的量之比为1：2，
故答案为：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O（或3MnO₄^2-+3CO₂+2OH^-═2MnO₄^-+MnO₂↓+H₂O+3CO₃^2-）；1：2；
（3）因为盐酸具有还原性，易被高锰酸钾氧化；醋酸钾的溶解度比硫酸钾大的多，蒸发浓缩时基本上都会留在母液中，硫酸加入生成的硫酸钾溶解度小，会随KMnO₄一起结晶析出得到的高锰酸钾中含有杂质，所以选醋酸得到的产品纯度更高，
故答案为：A；
（4）采用惰性电极电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，锰元素的化合价由+6价升高到+7价，失电子做阳极，阴极则是H⁺得电子生成氢气，该电解反应的化学方程式为2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
根据图示可以看出阳离子交换膜，阳离子向右迁移，再根据电解的总反应，图中A口加入的溶液最好为KOH溶液；
使用阳离子交换膜可以防止锰酸根进入阴极区被还原，提高了Mn元素利用率，
故答案为：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原．

点评 本题考查制备方案的设计，题目难度中等，明确实验目的、实验原理为解答关键，注意掌握制备方案设计与评价的原则，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生灵活应用能力．