Question

13．軟錳礦主要成分為MnO₂，還含有CaCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等雜質(zhì)．工業(yè)上利用軟錳礦制取碳酸錳（MnCO₃）流程如圖：

其中，還原焙燒主反應(yīng)為：2MnO₂+C═2MnO+CO₂↑．根據(jù)要求回答問題：
（1）步驟D中Fe²⁺被氧化，該反應(yīng)的離子方程式為2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O．
（2）步驟H的離子方程式為Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（3）加入Na₂S可以除去Pb²⁺、Al³⁺等離子．已知K_sp（PbS）=1×10^-28   K_sp（MnS）=1×10^-9.6，當(dāng)溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1時，溶液中c（Mn²⁺）允許的最大值為1×10^13.4mol•L^-1．
（4）pH=0的溶液中，不同價態(tài)錳的微粒的能量（△G）如圖．若某種含錳微粒（如Mn³⁺）的能量處于相鄰價態(tài)兩種微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量連線左上方，則該微粒不穩(wěn)定并發(fā)生歧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為相鄰價態(tài)的微粒．

①M(fèi)nO₄^2-能否穩(wěn)定存在于pH=0的溶液中？答：不能（“能”或“不能”）；
②將Mn³⁺歧化反應(yīng)設(shè)計為原電池，可測定反應(yīng)平衡常數(shù)．電池負(fù)極反應(yīng)為Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{2}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$；
③實(shí)驗(yàn)室可利用以下反應(yīng)檢驗(yàn)Mn²⁺存在：2Mn²⁺+5S₂O₈^2-+8H₂O→16H⁺+10SO₄^2-+2MnO₄^-確認(rèn)Mn²⁺存在的現(xiàn)象是溶液呈紫紅色；檢驗(yàn)時必須控制Mn²⁺濃度和用量不能過大，否則實(shí)驗(yàn)失敗．理由是過量的Mn²⁺能與反應(yīng)生成的MnO₄^-反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察．

Answer 1

分析 軟錳礦主要成分為MnO₂，還含有CaCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等雜質(zhì)，還原焙燒主反應(yīng)為：2MnO₂+C═2MnO+CO₂↑．加入硫酸酸浸過濾后的溶液中加入二氧化錳氧化亞鐵離子，加入10%的氫氧化鎳溶液調(diào)節(jié)溶液PH4.5使鐵離子全部沉淀，過濾后的濾液中加入Na₂S沉淀重金屬離子可以除去Pb²⁺、Al³⁺等離子，濾液中加入碳銨發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成碳酸錳，分離烘干得到成品，
（1）步驟D中酸性溶液中Fe²⁺被MnO₂氧化為鐵離子，二氧化錳被還原生成錳離子；
（2）步驟H是硫酸錳和碳酸氫銨反應(yīng)，碳酸氫根離子過量，所以錳離子結(jié)合碳酸根離子生成碳酸錳沉淀，氫離子濃度增大和過量的碳酸氫根離子反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w；
（3）當(dāng)溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1時沉淀完全，計算硫離子濃度，結(jié)合硫化錳溶度積計算錳離子的最大濃度；
（4）①若某種含錳微粒（如Mn³⁺）的能量處于相鄰價態(tài)兩種微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量連線左上方，則該微粒不穩(wěn)定并發(fā)生歧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為相鄰價態(tài)的微粒，則依據(jù)圖象分析判斷，MnO₄^2-在MnO₄^-和MnO₂之間；
②將Mn³⁺歧化反應(yīng)得到Mn²⁺和MnO₂，2Mn³⁺+2H₂O=MnO₂+Mn²⁺+4H⁺，平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積；
③MnO₄^-溶液中呈紫紅色，檢驗(yàn)時必須控制Mn²⁺濃度和用量不能過大過量的Mn²⁺能與反應(yīng)生成的MnO₄^-反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；

解答 解：（1）步驟D中酸性溶液中Fe²⁺被MnO₂氧化為鐵離子，二氧化錳被還原生成錳離子，反應(yīng)的離子方程式為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O；
（2）步驟H是硫酸錳和碳酸氫銨反應(yīng)，碳酸氫根離子過量，所以錳離子結(jié)合碳酸根離子生成碳酸錳沉淀，氫離子濃度增大和過量的碳酸氫根離子反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，反應(yīng)的離子方程式為：Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案為：Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（3）已知K_sp（PbS）=1×10^-28，當(dāng)溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1時，c（S^2-）=$\frac{1×1{0}^{-28}}{1×1{0}^{-5}}$=10^-23mol/L，K_sp（MnS）=1×10^-9.6，溶液中c（Mn²⁺）允許的最大值=$\frac{1×1{0}^{-9.6}}{1{0}^{-23}}$=1×10^13.4 mol•L^-1，
故答案為：1×10^13.4 mol•L^-1；
（4）①若某種含錳微粒（如Mn³⁺）的能量處于相鄰價態(tài)兩種微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量連線左上方，則該微粒不穩(wěn)定并發(fā)生歧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為相鄰價態(tài)的微粒，則依據(jù)圖象分析判斷，MnO₄^2-在MnO₄^-和MnO₂之間，則MnO₄^2-在pH=0的溶液中不能穩(wěn)定存在，
故答案為：不能；
②將Mn³⁺歧化反應(yīng)得到Mn²⁺和MnO₂，2Mn³⁺+2H₂O=MnO₂+Mn²⁺+4H⁺，設(shè)計為原電池反應(yīng)，電池負(fù)極反應(yīng)為Mn³⁺失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Mn²⁺，電極反應(yīng)為：Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，平衡常數(shù)K=
$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{4}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$故答案為：Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{4}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$；
③MnO₄^-溶液中呈紫紅色，檢驗(yàn)時必須控制Mn²⁺濃度和用量不能過大過量的Mn²⁺能與反應(yīng)生成的MnO₄^-反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，
故答案為：溶液呈紫紅色；過量的Mn²⁺能與反應(yīng)生成的MnO₄^-反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；

點(diǎn)評 本題考查了物質(zhì)分離提純和實(shí)驗(yàn)基本操作，離子性質(zhì)、難溶物質(zhì)溶度積常數(shù)的計算、氧化還原反應(yīng)實(shí)質(zhì)理解，注意圖象的理解應(yīng)用，題目難度中等．