Question

8．錳（Mn）、鈷（Co）都是重要的過渡元素，其氧化物常用作化學反應中的催化劑．
I、
（1）工業(yè)上用圖1所示裝置制備MnO₂．接通電源后，A電極的電極反應式為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，當生成1mol MnO₂，則膜兩側電解液的質量變化差（△m左-△m右）為89g．

（2）已知25℃、101kPa時，Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1，則SO₂與MnO₂反應生成無水MnSO₄的熱化學方程式為MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol．
II、利用鈷渣[含Co（OH）₃、Fe（OH）₃等]制備鈷氧化物的工藝流程如圖2：
（1）溶解還原過程中Co（OH）₃發(fā)生反應的離子方程式為2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
（2）鐵渣中鐵元素的化合價為+3；
（3）CoC₂O₄是制備鈷的氧化物的重要原料．二水合草酸鈷（CoC₂O₄•2H₂O）在空氣中受熱 的質量變化曲線如圖3所示，曲線中300℃及300℃以上所得固體均為鈷氧化物．
①通過計算確定C點剩余固體的化學成分為Co₃O₄（填化學式）；
②寫出B點對應的物質與O₂在225℃～300℃發(fā)生反應的化學方程式：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）由裝置圖可知，B電極上有氣體生成，發(fā)生還原反應，應是氫離子放電生成氫氣，A為陽極，陽極上是Mn²⁺失去電子得到MnO₂，由電荷守恒可知還有H⁺生成，氫離子通過質子交換膜移向右室，根據電子轉移可知移向右室的氫離子生成氫氣，右室電解質溶液質量不變，兩側電解液的質量變化差為二氧化錳與移向右室氫離子的質量；
（2）已知：①Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
由蓋斯定律③-②-①可得；
Ⅱ鈷渣[含Co（OH）₃、Fe（OH）₃等]用硫酸和亞硫酸鈉浸液，Co（OH）₃、Fe（OH）₃溶解，2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；Fe（OH）₃加硫酸溶解后為鐵離子，再與亞硫酸鈉發(fā)生氧化還原反應生成亞鐵離子，在浸液中通入氧氣、加入氯酸鈉除鐵，純化處理，加入碳酸氫銨，得到CoCO₃沉淀，煅燒后得到鈷的氧化物，據此分析．

解答 解：I （1）由裝置圖可知，B電極上有氣體生成，發(fā)生還原反應，應是氫離子放電生成氫氣，A為陽極，陽極上是Mn²⁺失去電子得到MnO₂，由電荷守恒可知還有H⁺生成，氫離子通過質子交換膜移向右室，陽極電極反應式為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，根據電子轉移可知移向右室的氫離子生成氫氣，右室電解質溶液質量不變，兩側電解液的質量變化差為二氧化錳與移向右室氫離子的質量，當制備1mol MnO₂，轉移電子為2mol，則移向右室的氫離子為2mol，則膜兩側電解液的質量變化差（△m_左-△m_右）為1mol×87g/mol+2mol×1g/mol=89g，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；89；
（2）已知：①Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
由蓋斯定律③-②-①可得MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
故答案為：MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
II（1）Co（OH）₃溶解還原反應為Co（OH）₃、H⁺、SO₃^2-的氧化還原反應，其離子反應為2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
故答案為：2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
（2）由制備流程可知，加硫酸溶解后為鐵離子，再與亞硫酸鈉發(fā)生氧化還原反應生成亞鐵離子，在浸液中通入氧氣時亞鐵離子被氧化為鐵離子，可知鐵渣中鐵元素的化合價為+3價；
故答案為：+3；
（3）①由圖可知，CoC₂O₄•2H₂O的質量為18.3g，其我知道可為0.1mol，Co元素質量為5.9g，C點鈷氧化物質量為8.03g，氧化物中氧元素質量為8.03g-5.9g=2.13g，則氧化物中Co原子與O原子物質的量之比為0.1mol：$\frac{2.13g}{16g/mol}$≈3：4，C的Co氧化物為Co₃O₄；
B點對應物質的質量為14.7g，與其起始物質的質量相比減少18.3g-14.7g=3.6g，為結晶水的質量，故B點物質為CoC₂O₄，與氧氣反應生成Co₃O₄與二氧化碳，反應方程式為：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂，
故答案為：Co₃O₄；3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂．

點評 本題考查物質的制備、蓋斯定律、化學反應圖象的有關進行計算，關鍵是根據質量分析各點物質的成分，注意利用守恒法計算，避免計算繁瑣，需要學生具備知識的基礎，難度中等．