Question

18．我國是干電池的生產和消費大國．某科研團隊設計了以下流程對堿性鋅錳干電池的廢舊資源進行回收利用：

已知：①K_sp（MnS）=2.5×10^-13，K_sp（ZnS）=1.6×10^-24
②Mn（OH）₂開始沉淀時pH為8.3，完全沉淀的pH為9.8
（1）堿性鋅錳干電池是以鋅粉為負極，二氧化錳為正極，氫氧化鉀溶液為電解質．電池總反應為
2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，請寫出電池的正極反應式MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（2）為了提高碳包的浸出效率，可以采取的措施有適當?shù)纳郎鼗驍嚢�；（寫一條即可）
（3）向濾液1中加入MnS的目的是將溶液中的Zn²⁺離子轉化為ZnS沉淀而除去；
（4）已知MnSO₄的溶解度曲線如圖1所示，從濾液2中析出MnSO₄•H₂O晶體的操作是蒸發(fā)結晶、趁熱過濾、洗滌、低溫干燥；

實驗編號	試劑X	MnSO4/g
1	鋅粉	2.4
2	鐵粉	2.7
3	FeS粉末	3.0
4	30%過氧化氫	3.7

（5）為了選擇試劑X，在相同條件下，分別用3g碳包進行制備MnSO₄的實驗，得到數(shù)據(jù)如表，請寫出最佳試劑X與碳包中的主要成分發(fā)生反應的化學方程式H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑．
（6）工業(yè)上經常采用向濾液2中加入NaHCO₃溶液來制備MnCO₃，不選擇Na₂CO₃溶液的原因是碳酸鈉溶液堿性強，容易產生Mn（OH）₂沉淀；
（7）該科研小組利用EDTA（乙二胺四乙酸二鈉，陰離子簡寫為Y^2-）進行絡合滴定測定Mn²⁺在電池中的百分含量，化學方程式可以表示為Mn²⁺+Y^2-=MnY．實驗過程如下：準確稱量一節(jié)電池的質量平均為24.00g，完全反應后，得到200.00mL濾液2，量取10.00mL濾液2稀釋至100.00mL，取20.00mL溶液用0.0500mol•L^-1EDTA標準溶液滴定，平均消耗標準溶液22.00mL，則該方案測得Mn元素的百分含量為25.2%．（保留3位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 鋅錳干電池水浸拆分處理得當金屬為鋅，電解質浸泡過濾分離得到鋅粉和鋅酸鉀，碳包加入硫酸和過氧化氫，分離得到石墨和濾液1，加入MnS分離鋅離子生成硫化鋅，過濾得到濾液2為硫酸錳，硫化鋅轉化為鋅酸鉀，
（1）電池總反應為2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，正極是得到電子發(fā)生還原反應，是二氧化錳生成MnOOH的過程，結合電解質為堿溶液和電荷守恒、原子守恒配平寫出；
（2）為了提高碳包的浸出效率，可以適當提高溫度、固體粉碎、攪拌等措施加快溶解；
（3）濾液1中含鋅離子，加入MnS實現(xiàn)沉淀轉化生成硫化鋅沉淀；
（4）由MnSO₄的溶解度曲線可知，MnSO₄•H₂O在溫度超過40°C后溶解度隨溫度的升高而降低，則將濾液2溶液蒸發(fā)結晶、趁熱過濾、洗滌、并低溫干燥得到MnSO₄•H₂O晶體；
（5）由表中數(shù)據(jù)可知選取30%的過氧化氫獲得的MnSO₄質量最高，則30%的過氧化物為最佳試劑，與二氧化錳在酸性條件下發(fā)生生成硫酸錳、氧氣和水，寫出化學反應方程式；
（6）相同濃度的碳酸氫鈉溶液和碳酸鈉溶液相比，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子，碳酸鈉溶液堿性強更容易生成氫氧化錳沉淀；
（7）消耗EDTA標準溶液物質的量=0.0500mol/L×0.0220L=0.0011mol，則樣品中Mn²⁺的物質的量為0.0011mol×$\frac{100}{20}×\frac{200}{10}$=0.11mol，元素守恒計算得到Mn元素的百分含量．

解答 解（1）電池總反應為2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，鋅為負極發(fā)生氧化反應，正極為二氧化錳生成MnOOH的過程，結合電解質為堿溶液和電荷守恒、原子守恒配平寫出MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-，
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（2）為了提高碳包的浸出效率，可以適當提高溫度、固體粉碎、攪拌等措施加快溶解，可以采取的措施有，適當?shù)纳郎鼗驍嚢璧龋?br />故答案為：適當?shù)纳郎鼗驍嚢瑁?br />（3）濾液1中含鋅離子，加入MnS實現(xiàn)沉淀轉化生成硫化鋅沉淀，向濾液1中加入MnS的目的是；將溶液中的Zn²⁺離子轉化為ZnS沉淀而除去，
故答案為：將溶液中的Zn²⁺離子轉化為ZnS沉淀而除去；
（4）由MnSO₄的溶解度曲線可知，MnSO₄•H₂O在溫度超過40°C后溶解度隨溫度的升高而降低，所以從濾液2中析出MnSO₄•H₂O晶體的操作是蒸發(fā)結晶、趁熱過濾減少損失、洗滌、并低溫干燥防止分解，得到MnSO₄•H₂O晶體，
故答案為：趁熱過濾；
（5）由表中數(shù)據(jù)可知選取30%的過氧化氫獲得的MnSO4質量最高，則30%的過氧化物為最佳試劑，與二氧化錳在酸性條件下發(fā)生生成硫酸錳、氧氣和水，寫出化學反應方程式為：H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑，
故答案為：H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑；
（6）相同濃度的碳酸氫鈉溶液和碳酸鈉溶液相比，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子，工業(yè)上經常采用向濾液2中加入NaHCO₃溶液來制備MnCO₃，不選擇Na₂CO₃溶液的原因是：碳酸鈉溶液堿性強，容易產生Mn（OH）₂沉淀，
故答案為：碳酸鈉溶液堿性強，容易產生Mn（OH）₂沉淀；
（7）消耗EDTA標準溶液物質的量=0.0500mol/L×0.0220L=0.0011mol，Mn²⁺+Y^2-=MnY，則樣品中Mn²⁺的物質的量為0.0011mol×$\frac{100}{20}×\frac{200}{10}$=0.11mol，
元素守恒得到Mn元素的百分含量=$\frac{0.11mol×55g/mol}{24.00g}$×100%=25.2%，
故答案為：25.2%．

點評 本題考查了物質提純分離過程、溶解度變化分析、原電池電極反應書寫、氧化還原反應和鹽類水解應用，注意題干信息的分析應用，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．