Question

【题目】K2SO4是无氯优质钾肥，Mn3O4是生产软磁铁氧体材料的主要原料。某研究性小组对K2SO4和Mn3O4的制备展开了系列研究。

Ⅰ．以硫酸工业的尾气SO2制备K2SO4的工艺流程如下：

（1）反应釜I中发生的反应包括： 2CaCO3 + 2SO2+O2=2_______+2CO2

（2）反应釜III：向反应II 所得(NH4)2SO4溶液中加入KCl溶液充分反应后，经蒸发浓缩、过滤 、洗涤、干燥等操作即可制得K2SO4产品。为提高K2SO4产品纯度，过滤时应控制反应液的温度范围为______（填字母序号，如图为几种盐的溶解度曲线）。

A 0℃-10℃ B 20℃-30℃ C 60℃-65℃ D 80℃-90℃

（3）上述工艺流程中循环利用的物质是_______；检验产品K2SO4中不含杂质选用的试剂是_____

A AgNO3溶液 B BaCl2溶液 C Ba(NO3)2溶液 DNaOH溶液

Ⅱ．实验室以SO2气体为原料制备少量高纯Mn3O4的操作步骤如下：

[资料1]亚硫酸（H2SO3）在Mn2+催化作用下被O2氧化为硫酸,硫酸与MnO2在常温下不易发生反应。

[资料2] MnSO4在空气中高温煅烧生成Mn3O4和三氧化硫，当温度超过1000℃时，Mn3O4易被氧化。

（步骤I）制备MnSO4溶液：在三颈烧瓶中（装置见（如图）加入一定量MnO2和水，先通氮气，再通入SO2和N2混合气体，搅拌反应3小时。停止通SO2，继续反应片刻后过滤得MnSO4溶液。

（4）烧杯中石灰乳（有效成分为氢氧化钙）的作用为____________。

（5）三颈烧瓶中生成MnSO4的反应化学方程式为______________。

（6）步骤I中，先通入氮气的目的是____________。为使SO2尽可能转化完全，在不改变固液投料和通入的SO2和N2比例一定的条件下，可采取的合理措施有：及时搅拌反应液、____________（任写1条）。

（步骤II）制备MnSO4H2O晶体：利用硫酸锰的溶解度在100℃以上随温度升高而急剧降低的原理,采用压力釜升温加压结晶法后过滤、洗涤、低温干燥得纯净的MnSO4H2O晶体。

（步骤III）制备Mn3O4固体：准确称取101.4mg MnSO4H2O，将MnSO4H2O晶体在空气中高温煅烧，下图是用热重分析仪测定煅烧时温度与剩余固体质量变化曲线。

（7）Mn3O4中的Mn元素有+2，+3价，则Mn3O4中+2价和+3价锰的比例为_____

（8）该曲线中A段所表示物质的化学式为____________。

（9）试通过计算确定反应至图中C点时所对应的剩余固体成分的化学式____（请写出计算过程）。

Answer 1

【答案】CaSO4 D CaCO3 AC 吸收二氧化硫气体，防止空气污染 MnO2+SO2=MnSO4 排尽装置内的空气，防止SO2气体被氧化为硫酸，导致转化率降低 控制气体流速（缓慢通入混合气体）、控制适当的温度 1：2 MnSO4 根据元素守恒求出m(Mn)=33mg；m(O)=14.4mg,求出MnxOy中的x:y=2:3 并写出Mn2O3

【解析】

（1）由化学方程式可知，反应前有2个钙原子、2个碳原子、2个硫原子和12个氧原子，反应后出现了2个碳原子和4个氧原子，隔绝质量守恒定律，尚缺2个钙原子、2个硫原子和8个氧原子，则空格处应有1个钙原子、1个硫原子和4个氧原子，所以空格处的化学式为CaSO4，故填CaSO4。

（2）提高K2SO4产品纯度，就是让硫酸钾以晶体的形式从溶液中结晶析出，而其它物质均继续溶解在溶液中，由溶解度曲线可知，在80℃-90℃时硫酸钾与其它物质的溶解度相差较大，所以过滤时应控制反应液的温度范围为80℃-90℃，故填D。

（3）从流程图中可知，碳酸钙开始是反应物，后面是生成物，所以能够循环利用的物质是CaCO3，故填CaCO3；

检验产品K2SO4中不含杂质，即硫酸钾中不含氯化铵，可通过检验氯离子来证明，方法是取少量样品加水溶解，先加入足量的 Ba(NO3)2溶液排除硫酸根离子的干扰，然后取上层清液再加入AgNO3溶液，无明显现象，故填AC。

（4）石灰乳能与二氧化硫反应，防止二氧化硫排放到空气中污染空气，故填吸收二氧化硫气体，防止空气污染。

（5）反应是二氧化锰与二氧化硫反应生成硫酸锰，故反应的化学方程式写为：MnO2+SO2=MnSO4。

（6）反应时先通入氮气能够排净容器中的空气，避免二氧化锰与氧气反应生成硫酸，降低硫酸锰的生产率，故填排尽装置内的空气，防止SO2气体被氧化为硫酸，导致转化率降低；

控制气体流速，能够延长物质的反应时间，从而提高生成物的转化率，也可以控制适当的温度，即适当提高反应的温度，但反应物均为气体，温度也不宜太高，故填控制气体流速（缓慢通入混合气体）、控制适当的温度。

（7）Mn3O4中的Mn元素有+2，+3价，氧元素的化合价为-2价，根据化合物中各元素的化合价的代数和为零，则Mn3O4中+2价和+3价锰的比例为1：2，故填1：2。

（8）由图及题文可知，A段前是MnSO4H2O晶体在空气失去结晶水的过程，固体的质量逐渐减少，所以A段所表示物质是硫酸锰，其化学式为MnSO4，故填MnSO4。

（9）解：101.4mg MnSO4H2O中锰元素的质量为101.4mg××100%=33mg

对应C点物质中的氧元素的质量为47.4mg33mg=14.4mg

则物质中的锰原子与氧原子的个数比为：=2：3

所以该物质的化学式为Mn2O3，故填Mn2O3。