Question

9．新的生产MnO₂和锌的工艺简化流程框图如图（中间产物的固体部分已经略去）：

软锰矿：MnO₂含量≥65%、Al₂O₃含最为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⁺
试回答下列问题：
（1）软锰矿、闪锌矿与硫酸溶液共热时可析出硫．金属元素均转化为相应的硫酸盐（锰元素以-2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{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S↓+6H₂O；
（2）步骤③中的MnO₂也可用下列BD （填序号）物质代替．（不考虑Mn²⁺的反应）
A． KMnO₄固体B． H₂O₂         C．浓硝酸D．浓硫酸E．氯水
（3）加入化合物C后可得纯净的Z．nSO₄，MnSO₄溶液，C可以是ZnO，Zn（OH）₂，Mn（OH）₂ 或MnCO₃（或ZnCO₃） （填一种含只种元素的化合物的化学式），产品D为H₂SO₄ （填化学式）．
（4）电解过程中阳极的电极反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（5）Ⅰ．将制得的MnO₂（s）与KOH（s），KClO₃（s）按比例混合，加热熔融（不断搅拌）可得KCl和K₂MnO₄的固体混合物；Ⅱ．再用5%的KOH溶液溶解得绿色（MnO₄^2-的颜色）溶液；Ⅲ．向绿色溶液中通入适量CO₂后，将溶液加热，并趁热滤去残渣（含MnO₂（s））；Ⅳ．将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥得紫色KMnO₄晶体．
①为了使MnO₂，KOH，KC1O₃恰好完全反应，三者的物质的量之比应为3：6：1；
②写出Ⅲ中生成KMnO₄的化学方程式：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂+2K₂CO₃；
③Ⅲ中，需控制CO₂的用量，若CO₂过量，会使所得产品纯度降低，原因是CO₂通入过量会生成溶解度小的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C后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，C可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂、MnCO₃或ZnCO₃，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）加入化合物C后可得纯净的ZnSO₄，MnSO₄溶液，C可以是锌锰的氧化物、氢氧化物、碳酸盐，目的是调节溶液PH除去铁离子，得到溶液，通过电解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到锌、二氧化锰和D为硫酸；
（4）电解过程中MnO₂应在阳极生成，因Mn元素失去电子；
（5）①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，结合氧化还原反应电子守恒和原子守恒配平书写化学方程式得到物质的量之比；
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C后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，C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{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O；
（2）代替二氧化锰氧化亚铁离子不能引入难易除去的杂质，
A．KMnO₄固体会氧化亚铁离子，但会引入钾离子，故A不符合；
B．H₂O₂ 可以氧化亚铁离子，且不引入新的杂质，故B符合；
C．浓硝酸会氧化亚铁离子，但会引入硝酸根离子，故C不符合；
D．浓硫酸具有强氧化性，不因人员新的杂质，故D符合
E．新制氯水可以氧化亚铁离子，但会引入氯离子，故D不符合；
故答案为：BD；
（3）加入化合物X后可得纯净的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂，MnCO₃或ZnCO₃，硫酸根离子不变，且生成氢离子，可知产品D的化学式为H₂SO₄，该物质对整个生产的意义是用于溶解软锰矿和闪锌矿，循环使用，
故答案为：MnCO₃或ZnCO₃；H₂SO₄；
（4）因Mn元素失去电子，可知步骤④中电解过程中MnO₂在阳极析出，该电极上发生的反应方程式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，
故答案为：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（5）①将制得的MnO₂（s）与KOH（s），KClO₃（s）按比例混合，加热熔融（不断搅拌）可得KCl和K₂MnO₄的固体混合物，锰元素化合价+4价变化为+6价，电子转移2e^-，
氯元素化合价+5价变化为-1价，电子转移6e^-，电子转移总数为6e^-，配平的化学方程式为：3MnO₂（s）+6KOH（s）+KClO₃（s）=KCl+3K₂MnO₄+3H₂O，为了使MnO₂，KOH，KC1O₃恰好完全反应，三者的物质的量之比应为3：6：1，
故答案为：3：6：1；
②向绿色溶液中通入适量CO₂后，将溶液加热，并趁热滤去残渣含MnO₂（s）将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得紫色KMnO₄晶体 生成产物为二氧化锰、高锰酸钾和碳酸钾，反应的化学方程式为：2CO₂+3K₂MnO₄$\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．