Question

20．高锰酸钾（KMnO₄）是一种常见氧化剂．主要用于化工、防腐及制药工业等．以软锰矿（主要成分为MnO₂）为原料生产高锰酸钾的工艺路线如下：

回答下列问题：
（1）原料软锰矿与氢氧化钾按的比例在“烘炒锅”中混配，混配前应将软锰矿粉碎，其作用是增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率． 
（2）“平炉”中发生反应的化学方程式为2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（3）“平炉”中需要加压，其目的是提高氧气的压强，加快反应速率，增加软锰矿转化率．
（4）将K₂MnO₄转化为KMnO₄的生产有两种工艺．
①“CO₂歧化法”是传统工艺，即在K₂MnO₄溶液中通入CO₂气体，使体系呈中性或弱酸性，K₂MnO₄发生歧化反应，反应中生成KMnO₄，MnO₂和KHCO₃（写化学式）．
②“电解法”为现代工艺，即电解K₂MnO₄水溶液，电解槽中阳极发生的电极反应为MnO₄^2--e^-=MnO₄^-
，阴极逸出的气体是H₂．
③“电解法”和“CO₂歧化法”中，K₂MnO₄的理论利用率之比为3：2．
（5）高锰酸钾纯度的测定：称取1.0800g样品，溶解后定容于100mL容量瓶中，摇匀．取浓度为0.2000mol•L^-1的H₂C₂O₄标准溶液20.00mL，加入稀硫酸酸化，用KMnO₄溶液平行滴定三次，平均消耗的体积为24.48mL，该样品的纯度为95.6%．

Answer 1

分析 软锰矿氢氧化钾按的比例在“烘炒锅”中混配，混配前应将软锰矿粉碎，提高反应速率，加热通入预热的空气，在“平炉”中发生反应2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，生成物质水浸沉降析出晶体得到锰酸钾，CO₂歧化法”是传统工艺，即在K₂MnO₄溶液中通入CO₂气体，使体系呈中性或弱酸性，K₂MnO₄发生歧化反应，反应中生成KMnO₄，MnO₂和KHCO₃，“电解法”为现代工艺，即电解K₂MnO₄水溶液，在电解槽中阳极，MnO₄^2-失去电子，发生氧化反应，产生MnO₄^-．
（1）固体混合粉碎目的是增大接触面积加快反应速率；
（2）流程分析可知平炉中发生的反应是氢氧化钾、二氧化锰和氧气加热反应生成锰酸钾和水；
（3）“平炉”中加压能提高氧气的压强，加快反应速率，增加软锰矿转化率；
（4）①在K₂MnO₄溶液中通入CO₂气体，使体系呈中性或弱酸性，K₂MnO₄发生歧化反应，根据元素守恒以及二氧化碳过量推测反应生成KMnO₄，MnO₂和KHCO₃；
②“电解法”为现代工艺，即电解K₂MnO₄水溶液，在电解槽中阳极，MnO₄^2-失去电子，发生氧化反应，产生MnO₄^-；在阴极，水电离产生的H⁺获得电子变为氢气逸出，电极反应式是：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；
③依据电解法方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+2H₂↑+2KOH，可知K₂MnO₄的理论利用率是100%，而在二氧化碳歧化法反应中3K₂MnO₄+2CO₂=2KMnO₄+MnO₂+K₂CO₃中K₂MnO₄的理论利用率是$\frac{2}{3}$；
（5）依据离子方程式2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O可由n（H₂C₂O₄）计算出n（KMnO₄），进而计算出样品中的n（KMnO₄），然后可计算样品的纯度．

解答 解：（1）原料软锰矿与氢氧化钾按1：1的比例在“烘炒锅”中混配，混配前应将软锰矿粉碎，其作用是增大接触面积加快反应速率，提高原料利用率．
故答案为：增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率；
（2）流程分析可知平炉中发生的反应是氢氧化钾、二氧化锰和氧气加热反应生成锰酸钾和水，反应的化学方程式为：2MnO₂+4KOH+O₂=2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案为：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（3）“平炉”中加压能提高氧气的压强，加快反应速率，增加软锰矿转化率．
故答案为：提高氧气的压强，加快反应速率，增加软锰矿转化率；
（4）①在K₂MnO₄溶液中通入CO₂气体，使体系呈中性或弱酸性，K₂MnO₄发生歧化反应，根据元素守恒以及二氧化碳过量推测反应生成KMnO₄，MnO₂和KHCO₃；
故答案为：KHCO₃；
②“电解法”为现代工艺，即电解K₂MnO₄水溶液，在电解槽中阳极，MnO₄^2-失去电子，发生氧化反应，产生MnO₄^-．电极反应式是：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-；在阴极，水电离产生的H⁺获得电子变为氢气逸出，电极反应式是：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；所以阴极逸出的气体是H₂；总反应方程式是：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+2H₂↑+2KOH，
故答案为：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-；H₂；
③依据电解法方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2KMnO₄+2H₂↑+2KOH，可知K₂MnO₄的理论利用率是100%，而在二氧化碳歧化法反应中3K₂MnO₄+2CO₂=2KMnO₄+MnO₂+K₂CO₃中K₂MnO₄的理论利用率是$\frac{2}{3}$，所以二者的理论利用率之比为3：2，
故答案为：3：2；
（5）发生2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
可知KMnO₄与草酸反应的定量关系是2KMnO₄～5H₂C₂O₄，
n（H₂C₂O₄）=20.00×10^-3L×0.2000mol/L=20.00×10^-3×0.2000mol
n（KMnO₄）=20.00×10^-3×0.2000×$\frac{2}{3}$mol，
1.0800g样品中n（KMnO₄）=20.00×10^-3×0.2000×$\frac{2}{5}$×$\frac{100}{24.48}$mol，
1.0800g样品中m（KMnO₄）=20.00×10^-3×0.2000×$\frac{2}{5}$×$\frac{100}{24.48}$×158g，
样品的纯度=$\frac{\frac{2}{5}×0.2000×20.00×1{0}^{-3}×\frac{100}{24.48}×158}{1.0800}$×100%=95.6%．
故答案为：95.6%．

点评 本题考查了物质制备工艺流程的知识．制备方案的过程分析和物质性质的理解应用，特别是电解原理、滴定实验的熟练掌握和计算应用，掌握基础是解题关键，题目难度中等．