Question

13．二氧化錳是制造鋅錳干電池的基本材料．工業(yè)上以軟錳礦為原料，利用硫酸亞鐵制備高純二氧化錳的流程如下：

某軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分陽離子以氫氧化物或硫化物的形式完全沉淀時溶液的pH見下表，回答下列問題：

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）FeSO₄在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，酸浸時發(fā)生的主要反應的化學方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）pH要調到5.4，應該使用pH計或精密pH試紙（填寫儀器或試劑名稱）來測量．濾渣A的主要成分是Fe（OH）₃和Al（OH）₃．
（3）堿性鋅錳電池中，MnO₂參與的電極反應方程式為MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-．
（4）MnO₂可作超級電容器材料．用惰性電極電解MnSO₄溶液可制得MnO₂，其陽極的電極反應式是Mn²⁺+2H₂O-2e^-═MnO₂+4H⁺．
（5）已知25℃時，K_sp[Fe（OH）₃]=2•79×10^-58，該溫度下反應Fe（OH）₃+3H⁺═Fe³⁺+3H₂O的平衡常數(shù)K=2.79×10³．

Answer 1

分析 軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亞鐵在酸性條件下將MnO₂還原為MnSO₄，所以酸浸后的濾液中的金屬陽離子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由離子開始沉淀及沉淀完全的pH可知，調節(jié)pH為5.4，將Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化錳將Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，濾液為硫酸錳溶液，再通過系列變化得到高純度的二氧化錳，
（1）根據(jù)FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，則Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成；
（2）調節(jié)溶液的pH值要用到pH計或精密pH試紙進行測量，由題目信息可知，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH進行判斷；
（3）由堿性鋅錳干電池的電池反應式可知，Zn作負極，MnO₂得電子作正極，生成MnOOH，由電荷守恒可知還生成OH^-，由元素守恒可知，還有水參與反應；
（4）MnO₂可作超級電容器材料．用惰性電極電解MnSO₄溶液可制得MnO₂，其陽極的電極反應錳離子失電子生成二氧化錳；
（5）根據(jù)K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp（Fe（OH）_{3}）}{Kw}$計算．

解答 解：（1）根據(jù)FeSO₄在反應條件下將MnO₂還原為MnSO₄，F(xiàn)e²⁺被氧化為Fe³⁺，故酸浸時生成硫酸錳、硫酸鐵，根據(jù)元素守恒還有水生成，反應方程式為2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案為：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）調節(jié)溶液的pH值要用到pH計或精密pH試紙進行測量，酸浸后的過濾液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水調pH至5.4，結合題中陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH可知，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺完全轉化為Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，其它離子不沉淀，故濾渣A的主要成分為
Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案為：pH計或精密pH試紙；Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）堿性鋅錳干電池中Zn作負極，則MnO₂作正極得電子，其電極反應式應為MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-，
故答案為：MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（4）MnO₂可作超級電容器材料．用惰性電極電解MnSO₄溶液可制得MnO₂，其陽極的電極反應式是Mn²⁺+2H₂O-2e^-═MnO₂+4H⁺，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-═MnO₂+4H⁺；
（5）由離子方程式可知，K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp（Fe（OH）_{3}）}{Kw}$=$\frac{2.79×1{0}^{-39}}{（1×1{0}^{-14}）^{3}}$=2.79×10³，
故答案為：2.79×10³．

點評 本題考查學生對元素及其化合物的主要性質的掌握、書寫電極反應方程式、閱讀題目獲取新信息能力、對工藝流程的理解等，難度中等，需要學生具備扎實的基礎與綜合運用知識、信息分析解決問題能力．