Question

【題目】堿性鋅錳電池的工作原理：Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2，其中的電解質(zhì)溶液是KOH溶液。某課題組用廢舊鐵殼無汞堿性鋅錳電池為原料，制備一種新型材料——MnxZn(1x)Fe2O4，其工藝流程如圖所示：

(1)已知MnxZn(1x)Fe2O4中錳元素的化合價與實驗室用二氧化錳制取氯氣時還原產(chǎn)物中的錳相同，則鐵元素的化合價為___________。

(2)“溶渣”工序中稀硫酸與鐵反應(yīng)生成的硫酸亞鐵可將+3價錳的化合物全部還原成Mn2+，寫出該反應(yīng)的離子方程式：_________________________________。

(3)“調(diào)鐵”工序的目的是調(diào)整濾液中鐵離子的總濃度，使其中金屬元素的物質(zhì)的量之比與產(chǎn)品的化學(xué)式MnxZn(1x)Fe2O4相符合。

①寫出“調(diào)鐵”工序中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：______________________、_______。

②若測得濾液的成分為c(Mn2+)+c(Zn2+)=a mol·L1，c(Fe2+)+c(Fe3+)=b mol·L1，濾液體積為1 m3，“調(diào)鐵”工序中，需加入的鐵粉質(zhì)量為___________kg(忽略溶液體積變化，用含a、b的代數(shù)式表示)。

(4)在“氧化”工序中，加入雙氧水的目的是把 Fe 2+ 氧化為 Fe 3+；生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)實際消耗雙氧水的量大于理論值，其可能原因除溫度外，主要是______________________。

(5)用氨水“調(diào)pH”后，經(jīng)“結(jié)晶”、“過濾”可得到產(chǎn)品和濾液C，從濾液C中還可分離出一種氮肥，該氮肥的溶液中離子濃度由大到小的排序為_______________。

Answer 1

【答案】+3 MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2 O Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+ Fe+2H += Fe 2+ +H 2 ↑ 112a56b 生成的 Fe 3+ 催化了雙氧水的分解 c(NH4+)>c(SO42—)>c(H + )>c(OH )

【解析】

由流程圖可知，向用水洗滌的廢舊電池濾渣中加入稀硫酸，濾渣中的Fe和Zn(OH)2溶于稀硫酸，反應(yīng)生成的硫酸亞鐵在酸性條件下，與MnO(OH)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫酸鐵、硫酸錳，過濾得到含有硫酸鋅、硫酸鐵和硫酸錳的酸性濾液，向濾液中加入鐵粉調(diào)整濾液中鐵離子的總濃度，使其中金屬元素的物質(zhì)的量之比與產(chǎn)品的化學(xué)式MnxZn(1x)Fe2O4相符合，再加入雙氧水將Fe 2+氧化為Fe 3+，用氨水調(diào)pH后，經(jīng)結(jié)晶、過濾得到產(chǎn)品MnxZn(1x)Fe2O4。

（1）由題意可知，MnxZn(1x)Fe2O4中錳元素的化合價為+2價，設(shè)鐵元素化合價為+a，由化合價代數(shù)和為零可得：（+2）×x+（+2）×（1—x）+（+a）×2+（—2）×4=0，解得a=3，故答案為：+3；

（2）由題意可知，硫酸亞鐵與MnO(OH)在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，硫酸亞鐵被氧化生成硫酸鐵，MnO(OH)被還原為硫酸錳，反應(yīng)的離子方程式為MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2O，故答案為：MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2O；

（3）①“調(diào)鐵”工序中，加入的鐵粉與溶液中的Fe 3+和H+反應(yīng)，反應(yīng)時，氧化性較強的Fe 3+與Fe反應(yīng)生成Fe 2+，Fe 3+完全反應(yīng)后，H+與Fe反應(yīng)生成Fe 2+和H2，反應(yīng)的離子方程式為Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+和Fe+2H += Fe 2+ +H2↑，故答案為：Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+；Fe+2H += Fe 2+ +H2↑；

②由MnxZn(1x)Fe2O4得化學(xué)式可知，n[Mn2++Zn2+]:n(Fe 3+)=1:2，設(shè)加入的鐵粉為xmol，依據(jù)題意可得（a mol·L1×103 L）:(b mol·L1×103 L +x) =1:2，解得x=(2a-b)×103 mol，則加入的鐵粉質(zhì)量為(2a-b)×103 mol×56g/mol=56(2a-b)×103g=56(2a-b)kg，故答案為：56(2a-b)；

(4)在“氧化”工序中，雙氧水把 Fe 2+ 氧化為Fe 3+，反應(yīng)生成的Fe 3+可以做催化劑，使雙氧水催化分解，成為除溫度外，導(dǎo)致實際消耗雙氧水的量大于理論值的因素，故答案為：生成的 Fe 3+ 催化了雙氧水的分解；

（5）由流程圖可知，反應(yīng)中加入了稀硫酸和氨水，濾液C中一定含有可以做氮肥的硫酸銨，硫酸銨溶液中由于銨根離子水解使溶液顯酸性，溶液中有c(H + )>c(OH )，但是由于水解程度小，溶液中有c(NH4+)>c(SO42—)，則溶液中離子濃度由大到小的排序為，故答案為：c(NH4+)>c(SO42—)>c(H + )>c(OH )；