Question

9．高錳酸鉀[KMnO₄]是常用的氧化劑，工業(yè)上以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體．中間產(chǎn)物為錳酸鉀[K₂MnO₄]，如圖是實(shí)驗(yàn)室模擬制備的操作流程：

相關(guān)資料：
①物質(zhì)溶解度

物質(zhì)	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②錳酸鉀[K₂MnO₄]
外觀性狀：墨綠色結(jié)晶．其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）的特征顏色．
化學(xué)性質(zhì)：在強(qiáng)堿性溶液中穩(wěn)定，在酸性、中性和弱堿性環(huán)境下，MnO₄^2-會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)．
試回答下列問(wèn)題：
（1）煅燒軟錳礦和KOH固體時(shí)，不采用石英坩堝而選用鐵坩堝的理由是瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)，坩堝被腐蝕；實(shí)驗(yàn)中用鐵坩鍋煅燒暴露在空氣中的固體混合物發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，若CO₂過(guò)量會(huì)生成KHCO₃，導(dǎo)致得到的KMnO₄產(chǎn)品的純度降低．請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)中通入適量CO₂時(shí)體系中可能發(fā)生反應(yīng)離子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；
（3）由于CO₂的通入量很難控制，因此對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，即把實(shí)驗(yàn)中通CO₂改為加其他的酸．從理論上分析，選用下列酸中a，得到的產(chǎn)品純度更高．
a．醋酸b．濃鹽酸c．稀硫酸．
（4）工業(yè)上一般采用惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，試寫(xiě)出該電解反應(yīng)的化學(xué)方程式：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；傳統(tǒng)工藝采用無(wú)膜電解法由于副反應(yīng)發(fā)生，Mn元素利用率和電流效率都會(huì)偏低．有同學(xué)聯(lián)想到離子交換膜法電解飽和食鹽水提出改進(jìn)方法：可用陽(yáng)離子交換膜分隔兩極區(qū)進(jìn)行電解（如圖）圖中A口加入的溶液最好為KOH溶液．使用陽(yáng)離子交換膜可以提高M(jìn)n元素利用率的原因?yàn)殛?yáng)離子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原．

Answer 1

分析 由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應(yīng)，調(diào)節(jié)pH，由工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會(huì)生成K₂CO₃，利用溶解度不同進(jìn)行結(jié)晶分離．若通入CO₂太多，會(huì)生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時(shí)，會(huì)有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，導(dǎo)致得到的KMnO₄產(chǎn)品的純度降低．
（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)；煅燒暴露在空氣中煅燒混合物，由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，由電子轉(zhuǎn)移守恒可知，應(yīng)有氧氣參加反應(yīng)，根據(jù)H元素守恒應(yīng)有水生成，配平書(shū)寫(xiě)方程式；
（2）溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應(yīng)，調(diào)節(jié)pH，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會(huì)生成K₂CO₃；
（3）醋酸鉀的溶解度比高錳酸鉀大的多，蒸發(fā)濃縮時(shí)基本上都會(huì)留在母液中，鹽酸具有還原性，易被高錳酸鉀氧化，硫酸加入生成的硫酸鉀溶解度小，會(huì)隨KMnO₄一起結(jié)晶析出；
（4）電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素發(fā)生氧化反應(yīng)，故溶液中水電離的氫離子放電，發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，同時(shí)得到KOH；
由圖可知，陽(yáng)離子由左室通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入右室，故左室為陰極室，右室為陰極室，溶液中生成KOH；
陽(yáng)離子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原．

解答 解：由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應(yīng)，調(diào)節(jié)pH，由工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會(huì)生成K₂CO₃，利用溶解度不同進(jìn)行結(jié)晶分離．若通入CO₂太多，會(huì)生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時(shí)，會(huì)有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，導(dǎo)致得到的KMnO₄產(chǎn)品的純度降低．
（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)，坩堝被腐蝕；煅燒暴露在空氣中煅燒混合物，由題目信息，可知二氧化錳與KOH煅燒生成K₂MnO₄，由電子轉(zhuǎn)移守恒可知，應(yīng)有氧氣參加反應(yīng)，根據(jù)H元素守恒應(yīng)有水生成，配平后方程式為：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案為：瓷坩堝中的二氧化硅和強(qiáng)堿反應(yīng)，坩堝被腐蝕；2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（2）溶液中通入二氧化碳與溶液中氫氧化鈉反應(yīng)，調(diào)節(jié)pH，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應(yīng)，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會(huì)生成K₂CO₃，有關(guān)反應(yīng)離子方程式為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，
故答案為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；
（3）鹽酸具有還原性，易被高錳酸鉀氧化，硫酸加入生成的硫酸鉀溶解度小，會(huì)隨KMnO₄一起結(jié)晶析出得到的高錳酸鉀中含有雜質(zhì)，醋酸鉀的溶解度比高錳酸鉀大的多，蒸發(fā)濃縮時(shí)基本上都會(huì)留在母液中，故答案為：a；
（4）電解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素發(fā)生氧化反應(yīng)，故溶液中水電離的氫離子放電，發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，同時(shí)得到KOH，電解反應(yīng)方程式為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
由圖可知，陽(yáng)離子由左室通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入右室，故左室為陰極室，右室為陰極室，溶液中生成KOH，故A溶液應(yīng)為KOH溶液；
陽(yáng)離子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原，提高了Mn元素利用率，
故答案為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；陽(yáng)離子交換膜防止錳酸根進(jìn)入陰極區(qū)被還原．

點(diǎn)評(píng) 本題考查實(shí)驗(yàn)制備方案，涉及化學(xué)工藝流程、儀器與試劑選擇、對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制、電解應(yīng)用、對(duì)題目信息獲取與應(yīng)用等，需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)與靈活運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，難度中等．