Question

10．生產(chǎn)MnO₂和Zn的工藝簡化流程如圖所示（中間產(chǎn)物的固體部分已經(jīng)略去）：

軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%．濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺．
試求下列問題：
（1）步驟①中軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫，且金屬元素均轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽（鐵元素以+3價存在）．則其中MnO₂和FeS發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O．
（2）步驟③中的MnO₂也可用下列B（填字母）物質(zhì)代替（不考慮Mn²⁺的反應(yīng)）．
A．KMnO₄固體   B．H₂O₂  C．濃硝酸  D．新制氯水
（3）步驟⑤電解過程中陽極的電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺（使用惰性電極）．
（4）加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，則產(chǎn)品D為H₂SO₄（填化學式）．
（5）Ⅰ．將制得的MnO₂（s）與KOH（s）、KClO₃（s）按比例混合，加熱熔融（不斷攪拌）可得KCl和K₂MnO₄的固體混合物．
Ⅱ．再用5%的KOH溶液溶解得綠色（MnO₄^2-的顏色）溶液；
Ⅲ．向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣[含MnO₂（s）]；
Ⅳ．將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體．
①第Ⅲ步操作中“趁熱過濾”的目的是防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導致產(chǎn)率下降．
②寫出Ⅲ中生成KMnO₄的化學方程式：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃．
③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會使所得產(chǎn)品的純度降低，原因可能是通入過量CO₂會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

Answer 1

分析 軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應(yīng)生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應(yīng)生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫單質(zhì)、硫酸錳、硫酸鐵和水，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質(zhì)；
（3）電解過程中MnO₂應(yīng)在陽極生成，因Mn元素失去電子；
（4）電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸；
（5）①趁熱過濾防止高錳酸鉀析出；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣含MnO₂（s）將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產(chǎn)物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀；
③二氧化碳過量會生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質(zhì)．

解答 解：軟錳礦：MnO₂含量≥65%；Al₂O₃含量為4%．閃鋅礦：ZnS含量≥80%；FeS、CuS、CdS含量各為2%，軟錳礦、閃鋅礦與硫酸溶液共熱時可析出硫，濾液A為硫酸鐵、硫酸錳、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鎘的水溶液，加入適量金屬鋅，鋅和鐵離子反應(yīng)生成鋅離子和亞鐵離子，鋅和銅離子反應(yīng)生成銅和鋅離子，濾液B中含金屬離子：Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，過濾得到濾渣為銅、鎘，濾液B中加入二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，電解ZnSO₄、MnSO₄溶液得到鋅、二氧化錳和D為硫酸，
（1）MnO₂和FeS在酸溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫單質(zhì)、硫酸錳、硫酸鐵和水，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O，
故答案為：3MnO₂+2FeS+12H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe³⁺+3Mn²⁺+2S+6H₂O；
（2）代替二氧化錳氧化亞鐵離子不能引入難易除去的雜質(zhì)，
A．KMnO₄固體會氧化亞鐵離子，但會引入鉀離子，故A不符合；
B．H₂O₂ 可以氧化亞鐵離子，且不引入新的雜質(zhì)，故B符合；
C．濃硝酸會氧化亞鐵離子，但會引入硝酸根離子，故C不符合；
D．新制氯水可以氧化亞鐵離子，但會引入氯離子，故D不符合；
故答案為：B；
（3）因Mn元素失去電子，可知步驟④中電解過程中MnO₂在陽極析出，該電極上發(fā)生的反應(yīng)方程式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
（4）加入化合物X后可得純凈的ZnSO₄、MnSO₄溶液，X可以是ZnO或Zn（OH）₂，Mn（OH）₂或MnCO₃，硫酸根離子不變，且生成氫離子，可知產(chǎn)品D的化學式為H₂SO₄，該物質(zhì)對整個生產(chǎn)的意義是用于溶解軟錳礦和閃鋅礦，循環(huán)使用，
故答案為：H₂SO₄；
（5）①趁熱過濾防止高錳酸鉀析出，第Ⅲ步操作中“趁熱過濾”的目的是防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導致產(chǎn)率下降，
故答案為：防止溫度降低，KMnO₄晶體析出導致產(chǎn)率下降；
②向綠色溶液中通入適量CO₂后，將溶液加熱，并趁熱濾去殘渣含MnO₂（s）將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得紫色KMnO₄晶體 生成產(chǎn)物為二氧化錳、高錳酸鉀和碳酸鉀，反應(yīng)的化學方程式為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃，
故答案為：2CO₂+3K₂MnO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2KMnO₄+MnO₂↓+2K₂CO₃；
③二氧化碳過量會生成溶解度小的碳酸氫鉀隨高錳酸鉀晶體析出混入雜質(zhì)，③Ⅲ中需控制CO₂的用量，若CO₂過量，會使所得產(chǎn)品的純度降低，原因可能是通入過量CO₂會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出，
故答案為：通入過量CO₂會生成溶解度小的KHCO₃，隨KMnO₄晶體一起析出．

點評 本題考了物質(zhì)分離提純的實驗過程分析，主要是離子性質(zhì)、離子分離、離子檢驗、電解池原理和電極反應(yīng)書寫，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．