Question

17．利用废旧干电池拆解后的碳包滤渣（含MnO₂、C、Hg²⁺等），既可制取MnSO₄•4H₂O，又可消除废弃物对环境的污染．实验流程如图一所示：
已知：25℃时，K_sp（FeS）=5×10^-18，K_sp（MnS）=4.6×10^-14，K_sp（HgS）=2×10^-54．
（1）“浸取”时，生成MnSO₄和Fe₂（SO₄）₃的化学方程式为9MnO₂+2FeS+10H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$9MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+10H₂O．
（2）滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、HgS和C（填化学式）；若浸取反应在25℃时进行，FeS足量，则充分浸取后溶液中c（Hg²⁺）/c（Fe²⁺）=4×10^-37（填数值）．
（3）“氧化”时，溶液中Fe²⁺转化为Fe³⁺的离子方程式为2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；滤渣Ⅱ的主要成分为Fe（OH）₃（填化学式）．
（4）最终MnSO₄产率与“浸取”时m（FeS）/m（碳包滤渣）的投料比关系如图二所示，FeS用量超过最佳值时，MnSO₄产率反而变小的原因是浸出液中残存大量S^2-，容易与Mn²⁺生成MnS沉淀．

Answer 1

分析 碳包滤渣（含MnO₂、C、Hg²⁺等），加入FeS在70℃浸取发生反应：9MnO₂+2FeS+10H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$9MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+10H₂O，过滤滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、HgS和C，溶液中含有MnSO₄、Fe₂（SO₄）₃，加入MnO₂继续氧化残留的Fe²⁺，发生反应2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O，Fe³⁺水解：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃，CaCO₃与H⁺反应消耗H⁺，促使Fe³⁺水解平衡右移，调节溶液PH在PH=5，可使Fe³⁺完全沉淀，并防止Mn²⁺转化为Mn（OH）₂沉淀，滤液溶质为MnSO₄，浓缩结晶得到MnSO₄•4H₂O，
（1）根据题干信息反应物为MnO₂、FeS、H₂SO₄，生成物为MnSO₄、Fe₂（SO₄）₃，结合氧化还原得失电子守恒和原子守恒分析解答；
（2）碳包滤渣（含MnO₂、C、Hg²⁺等），根据所示实验流程图可知：滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、HgS和C，若浸取反应在25℃时进行，FeS足量，根据K_sp（FeS）、K_sp（HgS）计算充分浸取后溶液中c（Hg²⁺）/c（Fe²⁺）；
（3）“氧化”时，溶液中Fe²⁺转化为Fe³⁺，MnO₂转化为Mn²⁺，结合氧化还原得失电子守恒和原子守恒分析解答；结合水解平衡移动分析滤渣Ⅱ的主要成分为Fe（OH）₃；
（4）浸出液中残存大量S^2-，容易与Mn²⁺生成MnS沉淀，所以FeS用量超过最佳值时，MnSO₄产率反而变小．

解答 解：（1）MnO₂和FeS在酸性条件下发生氧化还原反应，Mn（+4→+2），1molMnO₂得到2mole^-，Fe（+2→+3），S（-2→+6）1molFeS失去9mole^-，最小公倍数为18，所以化学方程式为：9MnO₂+2FeS+10H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$9MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+10H₂O，
故答案为：9MnO₂+2FeS+10H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$9MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+10H₂O；
（2）碳包滤渣（含MnO₂、C、Hg²⁺等），加入FeS在70℃浸取发生反应：9MnO₂+2FeS+10H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$9MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+10H₂O，同时硫离子和汞离子结合生成HgS沉淀，碳和FeS、H₂SO₄不反应，所以滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、HgS和C，若浸取反应在25℃时进行，FeS足量，则充分浸取后溶液中S^2-浓度相同，溶液中c（Hg²⁺）/c（Fe²⁺）=$\frac{{K}_{sp}（HgS）}{{K}_{sp}（FeS）}$=$\frac{2×1{0}^{-54}}{5×1{0}^{-18}}$=4×10^-37，
故答案为：C；4×10^-37；
（3）“氧化”时，溶液中Fe²⁺转化为Fe³⁺，MnO₂转化为Mn²⁺，Mn（+4→+2），1molMnO₂得到2mole^-，Fe（+2→+3），最小公倍数为2，所以化学方程式为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O，Fe³⁺水解：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，加入CaCO₃，CaCO₃与H⁺反应消耗H⁺，促使Fe³⁺水解平衡右移，调节溶液PH在PH=5，可使Fe³⁺完全沉淀，所以滤渣Ⅱ的主要成分为Fe（OH）₃，
故答案为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；Fe（OH）₃；
（4）浸出液中残存大量S^2-，容易与Mn²⁺生成MnS沉淀，所以FeS用量超过最佳值时，MnSO₄产率反而变小，
故答案为：浸出液中残存大量S^2-，容易与Mn²⁺生成MnS沉淀．

点评 本题考查了物质制备方案的设计流程分析判断，掌握离子的性质和调节溶液PH除去杂质离子是解题关键，注意沉淀溶解平衡原理的应用，题目难度中等．