Question

13．常見的酸性鋅錳干電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是有碳粉、二氧化錳、氯化鋅和氯化銨等組成的糊狀填充物，回收處理該廢電池可以得到多種化工原料，有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：溶解度/（g/100g水）

溫度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

不溶物溶度積：

化合物	Zn（OH）2	Fe（OH）2	Fe（OH）3
Ksp近似值	10-17	10-17	10-39

回答下列問題：
（1）該電池的總反應(yīng)式可表述為Zn+2NH₄⁺+2MnO₂═Zn²⁺+2NH3+2MnO（OH）．則對應(yīng)的正極反應(yīng)式應(yīng)為MnO₂+e^-+NH₄⁺=MnO（OH）+NH₃，MnO（OH）中錳元素的化合價為+3價．
（2）維持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，理論消耗鋅0.05g．（已經(jīng)F=96500C/mol）
（3）廢電池糊狀填充物加水處理后，過濾，濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，若將濾液加熱蒸發(fā)，首先應(yīng)該析出的物質(zhì)應(yīng)是NH₄Cl，原因是同溫下它的溶解度遠(yuǎn)小于ZnCl₂；濾渣的主要成分是MnO₂、MnO（OH）和碳粉．
（3）廢電池的鋅皮中有少量雜質(zhì)鐵、將其加入稀硫酸溶解，再加入雙氧水，加堿調(diào)節(jié)pH可得到Fe（OH）₃沉淀．加入雙氧水時發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；鐵離子開始沉淀時的溶液的pH應(yīng)為（假定Fe³⁺為0.01mol•L^-1）2；若上述過程不加雙氧水就加堿調(diào)節(jié)pH，直接得到的沉淀中應(yīng)主要含有Zn（OH）₂和Fe（OH）₂．

Answer 1

分析 （1）該電池的正極發(fā)生還原反應(yīng)，MnO₂被還原生成MnOOH；負(fù)極鋅被氧化生成Zn²⁺，以此書寫電池總反應(yīng)式，依據(jù)以上合計代數(shù)和為0計算錳元素化合價；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，以此計算消耗鋅的質(zhì)量、物質(zhì)的量；
（3）廢電池糊狀填充物加水處理后，過濾，濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，若將濾液加熱蒸發(fā)，依據(jù)溶解度比較判斷析出晶體順序，填充物含有碳粉、二氧化錳、氯化鋅和氯化銨等組成的糊狀填充物，溶解后濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，濾渣的主要成分是MnO₂、碳粉盒原電池反應(yīng)生成的MnO（OH）等；
（4）鐵加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，鐵離子開始沉淀時的溶液的pH應(yīng)為（假定Fe³⁺為0.01mol•L^-1），結(jié)合Ksp=10^-39計算pH，若不加入過氧化氫，亞鐵離子不能被氧化為鐵離子，在調(diào)節(jié)溶液PH時生成的沉淀為氫氧化鐵、氫氧化亞鐵、氫氧化鋅沉淀．

解答 解：（1）電池的總反應(yīng)式可表述為Zn+2NH₄⁺+2MnO₂═Zn²⁺+2NH₃+2MnO（OH），該電池的正極發(fā)生還原反應(yīng)，MnO₂被還原生成MnOOH，電極方程式為：MnO₂+e^-+NH₄⁺=MnO（OH）+NH₃，負(fù)極鋅被氧化生成Zn²⁺，MnO（OH）中氧元素化合價-2價，氫元素化合價為+1價，元素化合價代數(shù)和為0得到錳元素化合價為+3價，
故答案為：2MnO₂+Zn+2H⁺=2MnOOH+Zn²⁺，+3；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，則消耗Zn的質(zhì)量為$\frac{150C}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.05g，
故答案為：0.05；
（3）濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，通過加熱濃縮、冷卻結(jié)晶得到晶體，氯化銨溶解度隨溫度升高變化不大，氯化鋅溶解度隨溫度變化很大，相同溫度下氯化銨溶解度小于氯化鋅，則首先應(yīng)該析出的物質(zhì)應(yīng)是NH₄Cl，填充物含有碳粉、二氧化錳、氯化鋅和氯化銨等組成的糊狀填充物，溶解后濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，濾渣的主要成分是MnO₂、碳粉盒原電池反應(yīng)生成的MnO（OH）等，
故答案為：NH₄Cl，同溫下它的溶解度遠(yuǎn)小于ZnCl₂，碳粉；
（4）鐵加入稀H₂SO₄生成硫酸亞鐵和氫氣，酸性溶液中加入H₂O₂，亞鐵離子可被氧化生成Fe³⁺，反應(yīng)的離子方程式為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2 H₂O，鐵離子開始沉淀時的溶液的pH應(yīng)為（假定Fe³⁺為0.01mol•L^-1），因Ksp=10^-39，
則c（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp}{c（F{e}^{3+}）}}$=$\root{3}{\frac{1{0}^{-39}}{0.01}}$mol/L≈1×10^-12mol/L，此時pH=2，
由表中數(shù)據(jù)可知Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近，如不加H₂O₂，則Zn²⁺和Fe²⁺分離不開，加堿調(diào)節(jié)pH，直接得到的沉淀中應(yīng)主要含有Zn（OH）₂和Fe（OH）₂，
故答案為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，2，Zn（OH）₂和Fe（OH）₂．

點評 本題考查原電池知識以及物質(zhì)的分離、提純，側(cè)重于原電池的工作原理以及實驗基本操作和注意問題，題目難度中等，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)．