Question

18．高纯碳酸锰在电子工业中有重要的应用，湿法浸出软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量Fe、Al、Mg等杂质元素）制备高纯碳酸锰的实验过程如下：

（1）浸出：浸出时温度控制在90℃～95℃之间，并且要连续搅拌3小时．植物粉的作用是作还原剂．
（2）除杂：①向浸出液中加入一定量的碳酸锰矿，调节浸出液的pH为3.5～5.5；
②再加入一定量的软锰矿和双氧水，过滤；
③…
操作①中使用碳酸锰调pH的优势是增加MnCO₃的产量（或不引入新的杂质等）；
操作②中加入双氧水不仅能将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，而且能提高软锰矿的浸出率．写出双氧水提高软锰矿浸出率的离子方程式MnO₂+H₂O₂+2H⁺═Mn²⁺+2H₂O+O₂↑．
（3）制备：在30℃～35℃下，将碳酸氢铵溶液滴加到硫酸锰净化液中，控制反应液的最终pH在6.5-7.0，得到MnCO₃沉淀．温度控制35℃以下的原因是减少碳酸氢铵的分解，提高原料利用率；该反应的化学方程式为MnSO₄+2NH₄HCO₃$\frac{\underline{\;30-50℃\;}}{\;}$MnCO₃+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O；生成的MnCO₃沉淀需经充分洗涤，检验洗涤是否完全的方法是取最后一次的洗涤滤液1～2mL于试管中，向其中滴加用盐酸酸化的BaCl₂溶液，若无白色沉淀产生，则表明已洗涤干净．
（4）计算：室温下，K_sp（MnCO₃）=1.8×10^-11，K_sp（MgCO₃）=2.6×10^-5，已知离子浓度小于1.0×10^-5mol•L^-1时，表示该离子沉淀完全．若净化液中的c（Mg²⁺）=10^-2mol/L，试列式计算说明Mg²⁺的存在是否会影响MnCO₃的纯度．Ksp （MnCO₃）=c（Mn²⁺）•c（CO₃^2-），当Mn²⁺沉淀完全时，c（CO₃^2-）=$\frac{1.8×1{0}^{-11}}{1.0}$×10^-5=1.8×10^-6mol•L^-1，若Mg²⁺也能形成沉淀，则要求Mg²⁺＞2.6×10^-5/1.8×10^-6=14.4 mol•L^-1，Mg²⁺的浓度0.01mol/L远小于14.4 mol•L^-1，若净化液中的c（Mg²⁺）=10^-2mol/L，说明Mg²⁺的存在不会影响MnCO₃的纯度．

Answer 1

分析 湿法浸出软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量Fe、Al、Mg等杂质元素）制备高纯碳酸锰，加入浓硫酸和植物粉浸出过滤得到滤液除去杂质，加入碳酸氢铵形成沉淀通过一系列操作得到高纯碳酸锰，
（1）产品碳酸锰中锰的化合价为+2价，可知加入植物粉是一种还原剂；
（2）使用碳酸锰调pH的优势是不引入新的杂质；二氧化锰氧化过氧化氢为氧气，本身被还原为锰离子；
（3）依据碳酸氢铵受热易分解分析，在30℃～35℃下，将碳酸氢铵溶液滴加到硫酸锰净化液中，控制反应液的最终pH在6.5～7.0，得到MnCO₃沉淀，硫酸铵，二氧化碳和水，生成的MnCO₃沉淀需经充分洗涤，检验洗涤是否完全的方法是取最后一次洗涤液检验是否含有硫酸根离子设计；
（4）Ksp （MnCO₃）=c（Mn²⁺）•c（CO₃^2-），当Mn²⁺沉淀完全时，c（CO₃^2-）=1.8×10^-11/1.0×10^-5=1.8×10^-6 mol•L^-1，若Mg²⁺也能形成沉淀，则要求Mg²⁺＞2.6×10^-5/1.8×10^-6=14.4 mol•L^-1，Mg²⁺的浓度0.01mol/L远小于14.4 mol•L^-1．

解答 解：湿法浸出软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量Fe、Al、Mg等杂质元素）制备高纯碳酸锰，加入浓硫酸和植物粉浸出过滤得到滤液除去杂质，加入碳酸氢铵形成沉淀通过一系列操作得到高纯碳酸锰，
（1）软锰矿的主要成分为MnO₂，锰的化合价为+4价，产品中的锰为+2价，可知加入的植物粉是一种还原剂，
故答案为：作还原剂；
（2）使用碳酸锰调pH的优势是不引入新的杂质；酸性溶液中二氧化锰氧化过氧化氢为氧气，本身被还原为锰离子，反应的离子方程式为：MnO₂+H₂O₂+2H⁺=Mn²⁺+2H₂O+O₂↑，
故答案为：增加MnCO₃的产量（或不引入新的杂质等）；MnO₂+H₂O₂+2H⁺=Mn²⁺+2H₂O+O₂↑；
（3）依据碳酸氢铵受热易分解分析，温度控制35℃以下的原因是防止碳酸氢铵分解，在30℃～35℃下，将碳酸氢铵溶液滴加到硫酸锰净化液中，控制反应液的最终pH在6.5～7.0，得到MnCO₃沉淀，硫酸铵，二氧化碳和水，反应的化学方程式为：MnSO₄+2NH₄HCO₃ $\frac{\underline{\;30℃-35℃\;}}{\;}$MnCO₃+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O，生成的MnCO₃沉淀需经充分洗涤，检验洗涤是否完全的方法是取最后一次洗涤液检验是否含有硫酸根离子设计，取最后一次的洗涤滤液1～2 mL 于试管中，向其中滴加用盐酸酸化的BaCl₂溶液，若无白色沉淀产生，则表明已洗涤干净．
故答案为：减少碳酸氢铵的分解，提高原料利用率；MnSO₄+2NH₄HCO₃ $\frac{\underline{\;30℃-35℃\;}}{\;}$MnCO₃+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O；取最后一次的洗涤滤液1～2 mL 于试管中，向其中滴加用盐酸酸化的BaCl₂溶液，若无白色沉淀产生，则表明已洗涤干净；
（4）Ksp （MnCO₃）=c（Mn²⁺）•c（CO₃^2-），当Mn²⁺沉淀完全时，c（CO₃^2-）=$\frac{1.8×1{0}^{-11}}{1.0}$×10^-5=1.8×10^-6 mol•L^-1，若Mg²⁺也能形成沉淀，则要求Mg²⁺＞2.6×10^-5/1.8×10^-6=14.4 mol•L^-1，Mg²⁺的浓度0.01mol/L远小于14.4 mol•L^-1，若净化液中的c（Mg²⁺）=10^-2mol/L，说明Mg²⁺的存在不会影响MnCO₃的纯度，
故答案为：Ksp （MnCO₃）=c（Mn²⁺）•c（CO₃^2-），当Mn²⁺沉淀完全时，c（CO₃^2-）=$\frac{1.8×1{0}^{-11}}{1.0}$×10^-5=1.8×10^-6 mol•L^-1，若Mg²⁺也能形成沉淀，则要求Mg²⁺＞2.6×10^-5/1.8×10^-6=14.4 mol•L^-1，Mg²⁺的浓度0.01mol/L远小于14.4 mol•L^-1，若净化液中的c（Mg²⁺）=10^-2mol/L，说明Mg²⁺的存在不会影响MnCO₃的纯度．

点评 本题考查了制备方案的设计，为高频考点，题目难度中等，明确流程分析及混合物分离方法、发生的反应为解答的关键，试题知识点较多，充分考查了学生的分析能力及化学实验、化学计算能力．