Question

15．工業(yè)上可用軟錳礦（主要成分是MnO₂）和黃鐵礦（主要成分是FeS₂）為主要原料制備高性能磁性材料碳酸錳（MnCO₃）．其工業(yè)流程如圖1：

已知：MnCO₃難溶于水、乙醇，潮濕時易被空氣氧化，100℃開始分解．回答下列問題：
（1）凈化工序的目的是除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)．若測得濾液中c（F^-）=0.01mol•L^-1，濾液中殘留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6 mol/L〔已知：K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10〕
（2）沉錳工序中，298K、c（Mn²⁺）為1.05mol•L^-1時，實驗測得MnCO₃的產(chǎn)率與溶液pH、反應(yīng)時間的關(guān)系如圖所示．根據(jù)圖2中信息得出的結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高．
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃的操作方法是：過濾、先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥）．
（4）為測定某軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，準(zhǔn)確稱量1.20g軟錳礦樣品，加入2.68g草酸鈉固體，再加入足量的稀硫酸并加熱（雜質(zhì)不參加反應(yīng)），充分反應(yīng)后冷卻，將所得溶液轉(zhuǎn)移到250mL容量瓶中用蒸餾水稀釋至刻度，從中取出25.0mL，用0.0200mol•L^-1高錳酸鉀溶液進(jìn)行滴定，當(dāng)?shù)稳?0.0mL溶液時恰好完全反應(yīng)．
已知高錳酸鉀、二氧化錳在酸性條件下均能將草酸鈉（Na₂C₂O₄）氧化：
2MnO₄^-+5C₂O₄^2-+16H⁺═2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
MnO₂+C₂O₄^2-+4H⁺═Mn²⁺+2CO₂↑+2H₂O
求該軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.5%（寫出計算過程）．

Answer 1

分析 由流程可知軟錳礦（主要成分MnO₂）和黃鐵礦加入硫酸酸浸，F(xiàn)eS₂和稀硫酸反應(yīng)生成Fe²⁺，由沉錳后得到碳酸錳，可知酸性條件下二氧化錳被亞鐵離子還原為Mn²⁺，過濾分離，再加入軟錳礦將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入CaO調(diào)節(jié)溶液pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃除去，再過濾分離，加入硫化銨和氟化銨，除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)，再過濾分離，在濾液中加入碳酸氫銨和氨水沉錳，生成MnCO₃沉淀，過濾得到MnCO₃，分液中主要含有（NH₄）₂SO₄．
（1）根據(jù)K_sp（CaF₂）=c²（F^-）×c（Ca²⁺）計算；
（2）根據(jù)沉錳的圖象可知，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果；
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃，只需將沉淀析出的MnCO₃過濾、洗滌、干燥即可得到碳酸錳；
（4）計算25mL溶液中剩余草酸鈉消耗高錳酸鉀物質(zhì)的量，可得250mL溶液消耗高錳酸鉀的物質(zhì)的量，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算二氧化錳的物質(zhì)的量，進(jìn)而計算樣品中二氧化錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答 解：由流程可知軟錳礦（主要成分MnO₂）和黃鐵礦加入硫酸酸浸，F(xiàn)eS₂和稀硫酸反應(yīng)生成Fe²⁺，由沉錳后得到碳酸錳，可知酸性條件下二氧化錳被亞鐵離子還原為Mn²⁺，過濾分離，再加入軟錳礦將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入CaO調(diào)節(jié)溶液pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃除去，再過濾分離，加入硫化銨和氟化銨，除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)，再過濾分離，在濾液中加入碳酸氫銨和氨水沉錳，生成MnCO₃沉淀，過濾得到MnCO₃，分液中主要含有（NH₄）₂SO₄．
（1）K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10，c（F^-）=0.01 mol•L^-1，則c（Ca²⁺）=$\frac{1.46×1{0}^{-10}}{0.0{1}^{2}}$mol/L=1.46×10^-6mol•L^-1，
故答案為：1.46×10^-6 mol/L；
（2）從沉錳的圖象可以看出，在已給的幾個pH值條件下，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果，因此結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高，
故答案為：pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高；
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃的操作方法是：過濾、先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥），用水洗去可溶性雜質(zhì)，用乙醇洗去水分，低溫干燥防止碳酸錳分解，
故答案為：先水洗2-3次、再用乙醇洗滌、低溫干燥（或低于100℃干燥）；
（4）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；
滴定250mL稀釋后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×$\frac{250mL}{25mL}$=0.00400mol；
根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)相等得：n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
解得n（MnO₂）=0.0100mol，
二氧化錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.20g}$×100%=72.5%，
故答案為：72.5%．

點評 本題考查物質(zhì)制備工藝流程，涉及溶度積常數(shù)計算、物質(zhì)分離和提純操作、圖象分析、氧化還原反應(yīng)滴定與計算等知識點，側(cè)重考查學(xué)生分析理解能力與計算能力，需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)．