Question

13．錳是一種銀白色的脆性金屬，強度不如鐵，但把錳加到鋼鐵中，竟然能使鋼鐵的強度提高4～8倍，而且還提高了鋼的耐磨性，所以錳鋼在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國防建設(shè)中有著廣泛的用途．
用陰離子膜電解法的新技術(shù)從含有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等成分的錳礦石中提取金屬錳，其工藝流程如下（圖1）：

已知FeCO₃、MnCO₃難溶于水．
（1）設(shè)備1中反應(yīng)后，濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂．則濾渣1的主要成分是SiO₂（填化學(xué)式）．
（2）設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的離子方程式是2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O．
（3）設(shè)備2中加足量雙氧水的作用是將Fe²⁺完全氧化為Fe³⁺．設(shè)計實驗方案檢驗濾液2中是否存在Fe^2+：取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產(chǎn)生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺．
（4）設(shè)備4中加入過量氫氧化鈉溶液，沉淀部分溶解．用化學(xué)平衡移動原理解釋原因：濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，Al（OH）₃不斷溶解．
（5）設(shè)備3中用陰離子膜法提取金屬錳的電解裝置如圖2：
①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則A電極是直流電源的負(fù)極．實際生產(chǎn)中，陽極以稀硫酸為電解液，其電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．
②該工藝之所以采用陰離子交換膜，是為了防止Mn²⁺進入陽極區(qū)發(fā)生副反應(yīng)生成MnO₂造成資源浪費，寫出該副反應(yīng)的電極反應(yīng)式Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

Answer 1

分析 錳礦物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反應(yīng)，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃與硫酸反應(yīng)得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂，酸性條件下MnO₂將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，過濾除去二氧化硅等不溶物，濾渣1為SiO₂等不溶物．濾液1中加入過氧化氫將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，再加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾分離，濾液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，濾渣2為Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向濾渣2中加入氫氧化鈉，氫氧化鋁溶解得到NaAlO₂，過濾分離．濾液2電解得到Mn，
（1）濾渣1的主要成分是二氧化硅；
（2）設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng)：二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子，二氧化硫被還原得到Mn²⁺；
（3）設(shè)備2中加足量雙氧水將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子；利用加入鐵氰化鉀溶液檢驗Fe²⁺離子；
（4）Al（OH）₃存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，平衡正向移動，氫氧化鋁被溶解；
（5）①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則左室為陰極室，右室為陽極室，A為電源的負(fù)極，B為電源的陽極，陽極以稀硫酸為電解液，溶液中氫氧根離子放電生成氧氣；
②Mn²⁺進入陽極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)生成MnO₂，需要有水參與反應(yīng)，根據(jù)電荷守恒可知有氫離子生成．

解答 解：錳礦物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反應(yīng)，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃與硫酸反應(yīng)得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而濾液1里錳元素只以Mn²⁺的形式存在，且濾渣1中也無MnO₂，酸性條件下MnO₂將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，過濾除去二氧化硅等不溶物，濾渣1為SiO₂等不溶物．濾液1中加入過氧化氫將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，再加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾分離，濾液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，濾渣2為Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向濾渣2中加入氫氧化鈉，氫氧化鋁溶解得到NaAlO₂，過濾分離．濾液2電解得到Mn，
（1）根據(jù)分析可知，濾渣1的主要成分是SiO₂，
故答案為：SiO₂；
（2）設(shè)備1中發(fā)生氧化還原反應(yīng)：二氧化錳在酸性條件下將+2價鐵氧化為鐵離子，二氧化硫被還原得到Mn²⁺，反應(yīng)離子方程式為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O；
（3）設(shè)備2中加足量雙氧水將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，便于調(diào)節(jié)pH時轉(zhuǎn)化為沉淀除去，檢驗濾液2中是否存在Fe²⁺的方案為：取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產(chǎn)生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺，
故答案為：將Fe²⁺完全氧化為Fe³⁺；取濾液2，加入鐵氰化鉀溶液，如果有藍色沉淀產(chǎn)生，則有Fe²⁺，否則沒有Fe²⁺；
（4）根據(jù)分析可知，濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，導(dǎo)致Al（OH）₃不斷溶解，
故答案為：濾渣2中存在Al（OH）₃，存在電離平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，濃度減低，Al（OH）₃不斷溶解；
（5）①電解裝置中箭頭表示溶液中陰離子移動的方向，則左室為陰極室，右室為陽極室，A為電源的負(fù)極，B為電源的陽極，陽極以稀硫酸為電解液，溶液中氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應(yīng)為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案為：負(fù)極；4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
②Mn²⁺進入陽極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)生成MnO₂，需要有水參與反應(yīng)，根據(jù)電荷守恒可知有氫離子生成，該副反應(yīng)的電極反應(yīng)式：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

點評 本題通過錳的制備工藝流程，考查了制備方案的設(shè)計、閱讀題目獲取信息能力，題目難度中等，涉及物質(zhì)的分離提純、化學(xué)平衡移動、電解原理等知識，根據(jù)制備流程明確目的、實驗原理為解答關(guān)鍵，試題綜合性較大，需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)知識與綜合運用知識、信息進行解決問題的能力．