Question

10．生产MnO₂和Zn的工艺简化流程如图所示（中间产物的固体部分已经略去）：

软锰矿：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量为4%．闪锌矿：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各为2%．滤液B中含金属离子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺．
试求下列问题：
（1）步骤①中软锰矿、闪锌矿与硫酸溶液共热时可析出硫，且金属元素均转化为相应的硫酸盐（铁元素以+3价存在）．则其中MnO₂和FeS发生反应的离子方程式为3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O．
（2）步骤③中的MnO₂也可用下列B（填字母）物质代替（不考虑Mn²⁺的反应）．
A．KMnO₄固体   B．H₂O₂  C．浓硝酸  D．新制氯水
（3）步骤⑤电解过程中阳极的电极反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺（使用惰性电极）．
（4）加入化合物X后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，则产品D为H₂SO₄（填化学式）．
（5）Ⅰ．将制得的MnO₂（s）与KOH（s）、KClO₃（s）按比例混合，加热熔融（不断搅拌）可得KCl和K₂MnO₄的固体混合物．
Ⅱ．再用5%的KOH溶液溶解得绿色（MnO₄^2-的颜色）溶液；
Ⅲ．向绿色溶液中通入适量CO₂后，将溶液加热，并趁热滤去残渣[含MnO₂（s）]；
Ⅳ．将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得紫色KMnO₄晶体．
①第Ⅲ步操作中“趁热过滤”的目的是防止温度降低，KMnO₄晶体析出导致产率下降．
②写出Ⅲ中生成KMnO₄的化学方程式：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃．
③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂过量，会使所得产品的纯度降低，原因可能是通入过量CO₂会生成溶解度小的KHCO₃，随KMnO₄晶体一起析出．

Answer 1

分析 软锰矿：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量为4%．闪锌矿：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各为2%，软锰矿、闪锌矿与硫酸溶液共热时可析出硫，滤液A为硫酸铁、硫酸锰、硫酸铝、硫酸铜、硫酸镉的水溶液，加入适量金属锌，锌和铁离子反应生成锌离子和亚铁离子，锌和铜离子反应生成铜和锌离子，滤液B中含金属离子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，过滤得到滤渣为铜、镉，滤液B中加入二氧化锰氧化亚铁离子为铁离子，加入化合物X后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，电解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到锌、二氧化锰和D为硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中发生氧化还原反应生成硫单质、硫酸锰、硫酸铁和水，结合电荷守恒和原子守恒配平书写离子方程式；
（2）代替二氧化锰氧化亚铁离子不能引入难易除去的杂质；
（3）电解过程中MnO₂应在阳极生成，因Mn元素失去电子；
（4）电解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到锌、二氧化锰和D为硫酸；
（5）①趁热过滤防止高锰酸钾析出；
②向绿色溶液中通入适量CO₂后，将溶液加热，并趁热滤去残渣含MnO₂（s）将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得紫色KMnO₄晶体 生成产物为二氧化锰、高锰酸钾和碳酸钾；
③二氧化碳过量会生成溶解度小的碳酸氢钾随高锰酸钾晶体析出混入杂质．

解答 解：软锰矿：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量为4%．闪锌矿：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各为2%，软锰矿、闪锌矿与硫酸溶液共热时可析出硫，滤液A为硫酸铁、硫酸锰、硫酸铝、硫酸铜、硫酸镉的水溶液，加入适量金属锌，锌和铁离子反应生成锌离子和亚铁离子，锌和铜离子反应生成铜和锌离子，滤液B中含金属离子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，过滤得到滤渣为铜、镉，滤液B中加入二氧化锰氧化亚铁离子为铁离子，加入化合物X后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，电解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到锌、二氧化锰和D为硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中发生氧化还原反应生成硫单质、硫酸锰、硫酸铁和水，结合电荷守恒和原子守恒配平书写离子方程式为：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O，
故答案为：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O；
（2）代替二氧化锰氧化亚铁离子不能引入难易除去的杂质，
A．KMnO₄固体会氧化亚铁离子，但会引入钾离子，故A不符合；
B．H₂O₂ 可以氧化亚铁离子，且不引入新的杂质，故B符合；
C．浓硝酸会氧化亚铁离子，但会引入硝酸根离子，故C不符合；
D．新制氯水可以氧化亚铁离子，但会引入氯离子，故D不符合；
故答案为：B；
（3）因Mn元素失去电子，可知步骤④中电解过程中MnO₂在阳极析出，该电极上发生的反应方程式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，
故答案为：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（4）加入化合物X后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，硫酸根离子不变，且生成氢离子，可知产品D的化学式为H₂SO₄，该物质对整个生产的意义是用于溶解软锰矿和闪锌矿，循环使用，
故答案为：H₂SO₄；
（5）①趁热过滤防止高锰酸钾析出，第Ⅲ步操作中“趁热过滤”的目的是防止温度降低，KMnO₄晶体析出导致产率下降，
故答案为：防止温度降低，KMnO₄晶体析出导致产率下降；
②向绿色溶液中通入适量CO₂后，将溶液加热，并趁热滤去残渣含MnO₂（s）将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得紫色KMnO₄晶体 生成产物为二氧化锰、高锰酸钾和碳酸钾，反应的化学方程式为：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃，
故答案为：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃；
③二氧化碳过量会生成溶解度小的碳酸氢钾随高锰酸钾晶体析出混入杂质，③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂过量，会使所得产品的纯度降低，原因可能是通入过量CO₂会生成溶解度小的KHCO₃，随KMnO₄晶体一起析出，
故答案为：通入过量CO₂会生成溶解度小的KHCO₃，随KMnO₄晶体一起析出．

点评 本题考了物质分离提纯的实验过程分析，主要是离子性质、离子分离、离子检验、电解池原理和电极反应书写，掌握基础是解题关键，题目难度中等．