Question

【题目】二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料。工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备高纯度二氧化锰的流程如图1：

某软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH如表，回答下列问题

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）硫酸亚铁在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为__________；

（2）滤渣A的主要成分是____________；滤渣B的主要成分是__________________；

（3）加入MnS的目的是除去Cu2+、Zn2+杂质，可能原因是_________________；

（4）碱性锌锰电池是一种一次性电池，其结构如图2所示．该电池放电过程产生MnOOH．该电池的正极反应式为________________，电池总反应的方程式为_______________________；

（5）利用该碱性锌锰电池电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图3所示，X电极__________极，电解时阳极的电极反应为________________，使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是__________；

Answer 1

【答案】2FeSO4+MnO2+2H2SO4=MnSO4+Fe2(SO4)3+2H2O SiO2 Fe(OH)3和Al(OH)3 CuS、ZnS的溶解度较MnS小 MnO2+H2O+e-═MnOOH+OH- Zn+2MnO2+2H2O═2MnOOH+Zn(OH)2 阴 NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+ NH3

【解析】

软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，所以酸浸后的滤液中的金属阳离子主要是Mn2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、Fe2+等，由离子开始沉淀及沉淀完全的pH可知，调节pH为5.4，将Fe3+、Al3+沉淀，加入硫化锰将Cu2+、Zn2+沉淀，滤液为硫酸锰溶液，再通过系列变化得到高纯度的二氧化锰。

（1）FeSO4在反应条件下将MnO2还原为MnSO4，Fe2+被氧化为Fe3+，故酸浸时生成硫酸锰、硫酸铁，根据元素守恒还有水生成，反应方程式为2FeSO4+MnO2+2H2SO4=MnSO4+Fe2(SO4)3+2H2O；

（2）软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，酸浸时二氧化硅不反应，滤渣A为SiO2，酸浸后的过滤液中含有Mn2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、Fe2+，加氨水调pH至5.4，结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH可知，Fe3+、Al3+完全转化为Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀，其它离子不沉淀，故滤渣B的主要成分为Fe(OH)3和Al(OH)3；

（3）由题中硫化物的Ksp可知，加入MnS是为了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu2+、Zn2+；

（4）在反应中Zn元素化合价升高，被氧化，Zn在负极反应，负极电极反应式为Zn+2OH--2e-═Zn（OH）2，Mn元素化合价降低，被还原，MnO2在正极反应，正极反应式为MnO2+H2O+e-═MnOOH+OH-，反应的化学方程式为：Zn+2MnO2+2H2O═2MnOOH+Zn(OH)2；

（5）X极发生的是NO得到电子生成NH4+的反应，所以X极为阴极，Y极发生的是NO失电子生成NO3-的反应，所以Y为阳极，电极反应为NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+，X阴极反应为：NO+5e-+6H+=NH4++H2O；使得失电子总数相等，阳极反应为5NO-15e-+10H2O=5NO3-+2OH-，阴极反应为：3NO+15e-+18H+=3NH4++3H2O，相加得总反应方程式为：8NO+7H2O3NH4NO3+2HNO3，因此若要使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充NH3，和总反应生成硝酸生成硝酸铵。故答案为：NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+NH3，NH3。

【点晴】

流程分析是解题关键；软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，所以酸浸后的滤液中的金属阳离子主要是Mn2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、Fe2+等，由离子开始沉淀及沉淀完全的pH可知，调节pH为5.4，将Fe3+、Al3+沉淀，加入硫化锰将Cu2+、Zn2+沉淀，滤液为硫酸锰溶液，再通过系列变化得到高纯度的二氧化锰；据此解题可迎刃而解。