Question

4．工業(yè)用廢鐵屑還原軟錳礦（主要成分為MnO₂），另有少量的鐵和SiO₂等）制備硝酸錳，其工藝流程示意如下：

（1）浸出過程中，MnO2被鐵屑還原為Mn2+進入溶液，該步驟中設(shè)計的主要離子反應(yīng)有：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；
MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺═Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．
（2）除雜過程中加入碳酸鈣的目的是調(diào)節(jié)溶液的pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去．
（3）除鈣過程中，欲使Ca²⁺沉淀完全（當溶液中c（Ca²⁺）≤10^-1mol•L^-1時，即可認為：Ca²⁺已沉淀完全）則溶液中c（F⁺）應(yīng)≥1×10^-3mol•L^-1．（已知常溫下CaF₂的K_sp=1×10^-11）．
（4）該生產(chǎn)流程中，硝酸的用量不宜過多，其原因是避免生成CaSO₄沉淀，增加生成產(chǎn)成本．
（5）工業(yè)上可用電解硝酸錳和硝酸混合溶液的方法制備二氧化錳，Mn²⁺在陽極光電子轉(zhuǎn)化為MnO₂．
①電解時，陽極電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．
②電解時，可向陰極區(qū)持續(xù)通入空氣，從安全角度分析，其作用可能是避免陰極產(chǎn)生氫氣，提高生產(chǎn)的安全性，同時減少了溶液水分的損失．

Answer 1

分析 （1）鐵還能夠與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，據(jù)此寫出反應(yīng)的離子方程式；
（2）在溶液中存在水解平衡：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃后，由于CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）、CO₃^2-+2H⁺═CO₂↑+H₂O，溶液中氫離子濃度減小，使得Fe³⁺的水解平衡向正反應(yīng)方向移動，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀；
（3）Ksp（CaF₂）=1×10^-11=c（Ca²⁺）×c²（F^-），當溶液中c（Ca²⁺）≤10^-5mol•L^-1時，可認為Ca²⁺已沉淀完全，則c（F^-）≥$\sqrt{\frac{1×1{0}^{-11}}{1{0}^{-5}}}$mol/L；
（4）鈣離子與硫酸根離子能夠反應(yīng)生成微溶物硫酸鈣；
（5）①陽極上錳離子失電子生成二氧化錳；
②電解時，可向陰極區(qū)持續(xù)通入空氣，從安全角度分析，其作用可能是防上水電離出的氫離子放電產(chǎn)生氫氣，同時減小電解質(zhì)溶液中水的消耗．

解答 解：（1）鐵還能夠與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，反應(yīng)的離子方程式為：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑，
故答案為：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；
（2）在溶液中存在水解平衡：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃后，由于CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）、CO₃^2-+2H⁺═CO₂↑+H₂O，溶液中氫離子濃度減小，使得Fe³⁺的水解平衡向正反應(yīng)方向移動，因此Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去，
故答案為：調(diào)節(jié)溶液的pH，將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀而被除去；
（3）Ksp（CaF₂）=1×10^-11=c（Ca²⁺）×c²（F^-），當溶液中c（Ca²⁺）≤10^-5mol•L^-1時，可認為Ca²⁺已沉淀完全，則c（F^-）≥$\sqrt{\frac{1×1{0}^{-11}}{1{0}^{-5}}}$mol/L=1×10^-3mol•L^-1，
故答案為：≥1×10^-3mol•L^-1；
（4）鈣離子與硫酸根離子能夠反應(yīng)生成微溶物硫酸鈣，若硫酸用量過多，溶液生成硫酸鈣沉淀，
故答案為：避免生成CaSO₄沉淀，增加生成產(chǎn)成本；
（5）①陽極上錳離子失電子生成二氧化錳，電極反應(yīng)式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；
②電解時，可向陰極區(qū)持續(xù)通入空氣，從安全角度分析，其作用可能是防上水電離出的氫離子放電產(chǎn)生氫氣，同時減小電解質(zhì)溶液中水的消耗，故答案為：避免陰極產(chǎn)生氫氣，提高生產(chǎn)的安全性，同時減少了溶液水分的損失．

點評 本題考查了制備方案的設(shè)計，題目難度中等，明確制備流程及發(fā)生原理為解答關(guān)鍵，注意掌握難溶物溶解平衡及溶度積的計算方法，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及化學(xué)計算、化學(xué)實驗?zāi)芰Γ?/p>