Question

软锰矿中含MnO₂约70%，SiO₂约20%，Al₂O₃约4%，其余为水分；闪锌矿中含ZnS约80%，FeS、CuS、SiO₂共约7%，其余为水分。科研人员开发了综合利用这两种资源的同槽酸浸工艺，制取Zn、MnO₂和Na₂SO₄。其工艺流程如下：

（1）I的滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂(SO₄)₃、Al₂(SO₄)₃等。写出MnO₂、CuS与硫酸反应的化学方程式：                                               ；
（2）已知Fe(OH)₃、Al(OH)₃、Zn(OH)₂三种物质开始沉淀和完全沉淀时溶液的pH如下表：

沉淀物	Fe(OH)3	Al(OH)3	Zn(OH)2
开始沉淀pH	2.3	4.0	5.6
完全沉淀pH	4.1	5.2	8.0

 
则III中调节溶液的pH至5.2～5.4，此时生成沉淀M的成分为          （写化学式），III中加入MnO₂的作用是                                            ；
（3）Na₂SO₄和Na₂SO₄·10H₂O的溶解度曲线（g/100g水）如图，则IV中得到Na₂SO₄固体的操作是：将分离出MnCO₃和ZnCO₃后的滤液升温结晶、           、用乙醇洗涤后干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是                     ；

（4）V是用惰性电极电解制得Zn和MnO₂，则阳极的电极反应式为                    ；
（5）绿色化学思想在本工艺中得到了充分体现，在本工艺流程中可循环使用的主要物质有：MnO₂、ZnCO₃、MnCO₃、       和      （写化学式）。

Answer 1

（16分）
（1）MnO₂ + CuS+ 2H₂SO₄ ="S" + MnSO₄ + CuSO₄+2H₂O（3分）
（2）Fe(OH)₃、Al(OH)₃（各1分） 将Fe²⁺氧化成Fe³⁺（2分）
（3）趁热过滤（2分）   防止形成 Na₂SO₄·10H₂O（2分）
（4）Mn²⁺—2e^－+2H₂O = MnO₂+4H⁺（3分）
（5）Zn、H₂SO₄（各1分）

试题分析：（1）依题意，MnO₂、CuS、H₂SO₄反应生成MnSO₄、CuSO₄、S、H₂O，锰元素由+4降为为+2价，硫元素由—2升为0价，根据最小公倍数法配平，则该反应为MnO₂+CuS+2H₂SO₄=S+MnSO₄+CuSO₄+2H₂O；（2）根据表中信息，若溶液pH调至5.2～5.4，则溶液中的铁离子、铝离子都被完全除去，分别变为氢氧化铁沉淀、氢氧化铝沉淀，所以沉淀M的成分为Fe(OH)₃、Al(OH)₃；II中加入适量Zn，充分反应后过滤，得到Cu，由此推断发生的反应为Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu、Cu+2Fe³⁺=Cu²⁺+2Fe²⁺，则II的滤液中无铁离子，只有亚铁离子，为了将亚铁离子除去，需要先将其氧化为铁离子，再调节溶液pH将其完全变为氢氧化铁沉淀，因此III中加入的二氧化锰是将Fe²⁺氧化成Fe³⁺的氧化剂，即MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；（3）读图，硫酸钠的溶解度随温度降低逐渐增大，而十水硫酸钠的溶解度随温度降低明显减小，由此说明从IV溶液中制取硫酸钠固体的方法是蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥，而制取十水硫酸钠固体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥；用乙醇洗涤硫酸钠固体时，不会析出十水硫酸钠，用水洗涤硫酸钠固体时，随着温度的降低，硫酸钠溶解度增大，容易洁净析出十水硫酸钠固体；（4）电解前，V溶液中含有锌离子、锰离子，由此推断电解时锌元素由+2降为0价，得到电子，发生还原反应，说明Zn是阴极产物；锰元素由+2升为+4价，失去电子，发生氧化反应，说明二氧化锰是阳极产物，即Mn²⁺—2e^－→MnO₂；左边带4个正电，右边不带电，呈酸性的V溶液中只能用氢离子使左右电荷守恒，则Mn²⁺—2e^－→MnO₂+4H⁺；左边比右边少4H、2O，根据原子个数守恒可得阳极反应式：Mn²⁺—2e^－+2H₂O=MnO₂+4H⁺；（5）根据流程图中主要步骤的反应物和生成物推断，V的生成物有二氧化锰、锌、硫酸，它们分别是III、II、I的反应物，IV产生的碳酸锌是III的反应物，它们都可以循环利用。