Question

1．關(guān)工業(yè)上以軟錳礦（主要成分是MnO₂）和黃鐵礦（主要成分是FeS₂）為主要原料制備高性能磁性材料碳酸錳（MnCO₃）的工藝流程如圖1所示．

已知：MnCO₃難溶于水、乙醇、潮濕時易被空氣氧化，100℃時開始分解，回答下列問題：
（1）凈化工序的目的是除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)．若測得濾液中c（F^-）=0.01mol•L^-1，則濾液中殘留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6mol•L^-1mol•L^-1 [已知：K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10]
（2）沉錳工序中，298K、c（Mn²⁺）=1.05mol•L^-1時，實驗測得MnCO₃的產(chǎn)率與溶液pH、反應(yīng)時間的關(guān)系如圖2所示．根據(jù)圖2中信息得出的結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高．
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃的操作方法是過濾、先水洗2～3次，再用乙醇洗滌，低溫干燥（或低于100℃干燥）．
（4）MnCO₃高溫煅燒可得到軟磁體Mn₃O₄，但分解生成的CO需要回收利用．到目前為止，CO吸附劑的開發(fā)大多數(shù)以銅（+1）為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓器吸附（PSA）的方式在含N₂體系中脫出CO．圖3是變壓吸附回收爐氣中CO的流程．
①PSA-Ⅰ吸附CO₂的時間對PSA-Ⅱ中CO回收率的影響如圖4所示，由此可見，為了保證載銅吸附劑對CO的吸附和提純要求，應(yīng)采取的措施是盡量在PSA-I中將CO₂脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間）．
②從PSA-Ⅱ中富集得到的CO有廣泛的用途，除生產(chǎn)甲醇外，其用途還有作燃料（任寫一種）．
③檢驗放空氣體中是否含有CO的實驗操作是將該氣體通入氯化鈀（PdCl₂）溶液中，觀察是否有黑色的單質(zhì)鈀生成，寫出對應(yīng)的化學(xué)方程式：CO+PdCl₂+H₂O═Pd↓+2HCl+CO₂．
（5）為測定某軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分數(shù)，準確稱量1.00g軟錳礦樣品，加入2.68g草酸鈉固體，再加入足量的稀硫酸并加熱（雜質(zhì)不參加反應(yīng)），充分反應(yīng)后冷卻，將所得溶液轉(zhuǎn)移到250mL容量瓶中用蒸餾水稀釋至刻度線，從中取出25.0mL，用0.0200mol•L^-1高錳酸鉀溶液進行滴定，當(dāng)?shù)稳?0.0mL溶液時恰好完全反應(yīng)．
已知高錳酸鉀、二氧化錳在酸性條件下均能將草酸鈉（Na₂C₂O₄）氧化，反應(yīng)原理如下：
2MnO₄^-+5C₂O₄^2-+16H⁺═2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
MnO₂+C₂O₄2^-+4H⁺═Mn²⁺+2CO₂↑+2H₂O
求該軟錳礦中二氧化錳的質(zhì)量分數(shù)87%．

Answer 1

分析 由流程可知軟錳礦（主要成分MnO₂）和黃鐵礦加入硫酸酸浸過濾得到浸出液調(diào)節(jié)溶液pH，F(xiàn)eS₂和稀硫酸反應(yīng)生成Fe²⁺，然后過濾得到濾渣是MnO₂，向濾液中加入軟錳礦發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為：2Fe²⁺+15MnO₂+28H⁺=2Fe³⁺+14H₂O+15Mn²⁺+4SO₄²，過濾，濾液中主要含有Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)，加入硫化銨和氟化銨，除去Cu²⁺、Ca²⁺過濾，在濾液中加入碳酸氫銨和氨水沉錳，生成MnCO₃沉淀，過濾得到的濾渣中主要含有MnCO₃，通過洗滌、烘干得到MnCO₃晶體；
（1）由于流程第二步加入了石灰引入了Ca²⁺雜質(zhì)，因此除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)可分別使用（NH₄）₂S和NH₄F，生成CuS、CaF沉淀除去，根據(jù)已知氟化鈣的溶度積和c（F^-），可求c（Ca²⁺）；
（2）根據(jù)沉錳的圖象可知，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果；
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃，只需將沉淀析出的MnCO₃過濾、洗滌、干燥即可得到碳酸錳；
（4）①CO吸附劑的開發(fā)大多數(shù)以銅（+1）為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓吸附（PSA）方式在含N₂體系中脫出CO，圖象方向可知時間越長CO回收率越高；
②一氧化碳是可燃性氣體燃燒過程中放熱；
③為了檢測CO對空氣的污染情況，常需用到氯化鈀（PdCl₂）溶液．將CO氣體通入氯化鈀（PdCl₂）溶液中（水也參與反應(yīng)），能產(chǎn)生黑色金屬鈀、CO₂和一種酸．請寫出該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式；
（5）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；
滴定250mL稀釋后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol；
根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
n（MnO₂）=0.0100mol，再根據(jù)質(zhì)量分數(shù)公式計算其質(zhì)量分數(shù)．

解答 解：由流程可知軟錳礦（主要成分MnO₂）和黃鐵礦加入硫酸酸浸過濾得到浸出液調(diào)節(jié)溶液pH，F(xiàn)eS₂和稀硫酸反應(yīng)生成Fe²⁺，然后過濾得到濾渣是MnO₂，向濾液中加入軟錳礦發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為：2Fe²⁺+15MnO₂+28H⁺=2Fe³⁺+14H₂O+15Mn²⁺+4SO₄²，過濾，濾液中主要含有Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)，加入硫化銨和氟化銨，除去Cu²⁺、Ca²⁺過濾，在濾液中加入碳酸氫銨和氨水沉錳，生成MnCO₃沉淀，過濾得到的濾渣中主要含有MnCO₃，通過洗滌、烘干得到MnCO₃晶體；
（1）由于流程第二步加入了石灰引入了Ca²⁺雜質(zhì)，因此除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)可分別使用（NH₄）₂S和NH₄F，生成CuS、CaF沉淀除去，根據(jù)已知氟化鈣的溶度積和c（F^-）可知：c（Ca²⁺）=$\frac{{K}_{sp}（Ca{F}_{2}）}{{c}^{2}（{F}^{-}）}$=$\frac{1.46×1{0}^{-10}}{0.0{1}^{2}}$=1.46×10^-6mol•L^-1，故答案為：1.46×10^-6mol•L^-1；
（2）從沉錳的圖象可以看出，在已給的幾個pH值條件下，pH越大得到的MnCO₃的產(chǎn)率越高，且需要的時間越短，且在pH=7時，有更好的效果，因此結(jié)論是pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高，
故答案為：pH等于7.0時反應(yīng)速率最快，且MnCO₃的產(chǎn)率最高；
（3）從沉錳工序中得到純凈MnCO₃，只需將沉淀析出的MnCO₃過濾、先水洗2～3次，再用乙醇洗滌，低溫干燥（或低于100℃干燥）即可；
故答案為：先水洗2～3次，再用乙醇洗滌，低溫干燥（或低于100℃干燥）；
（4）①CO吸附劑的開發(fā)大多數(shù)以銅（+1）為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓吸附（PSA）方式在含N₂體系中脫出CO，圖象方向可知時間越長CO回收率越高，為了保證載銅吸附劑對CO的吸附和提純要求，應(yīng)采取的措施是盡量在PSA-I中將CO₂ 脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間），
故答案為：盡量在PSA-I中將CO₂ 脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間）；
②一氧化碳是可燃性氣體燃燒過程中放熱，可以作為燃料，
故答案為：作燃料；
③CO氣體通入氯化鈀（PdCl₂）溶液中（水也參與反應(yīng)），能產(chǎn)生黑色金屬鈀、CO₂和一種酸，由質(zhì)量守恒定律，該酸為鹽酸，反應(yīng)的俄化學(xué)方程式為：CO+PdCl₂+H₂O═Pd+CO₂+2HCl，
故答案為：CO+PdCl₂+H₂O═Pd↓+2HCl+CO₂；
（5）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol，滴定250mL稀釋后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol，根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，n（MnO₂）=0.0100mol，二氧化錳質(zhì)量分數(shù)=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.00g}$×100%=87%，
故答案為：87%．

點評 本題通過碳酸錳的制備，考查了物質(zhì)制備實驗方案的設(shè)計方法，題目難度較大，明確制備流程及相應(yīng)的反應(yīng)原理為解答關(guān)鍵，試題涉及的知識點較多、綜合性較強，充分考查了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)實驗?zāi)芰Γ?/p>