Question

18．我国是干电池的生产和消费大国．某科研团队设计了以下流程对碱性锌锰干电池的废旧资源进行回收利用：

已知：①K_sp（MnS）=2.5×10^-13，K_sp（ZnS）=1.6×10^-24
②Mn（OH）₂开始沉淀时pH为8.3，完全沉淀的pH为9.8
（1）碱性锌锰干电池是以锌粉为负极，二氧化锰为正极，氢氧化钾溶液为电解质．电池总反应为
2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，请写出电池的正极反应式MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（2）为了提高碳包的浸出效率，可以采取的措施有适当的升温或搅拌；（写一条即可）
（3）向滤液1中加入MnS的目的是将溶液中的Zn²⁺离子转化为ZnS沉淀而除去；
（4）已知MnSO₄的溶解度曲线如图1所示，从滤液2中析出MnSO₄•H₂O晶体的操作是蒸发结晶、趁热过滤、洗涤、低温干燥；

实验编号	试剂X	MnSO4/g
1	锌粉	2.4
2	铁粉	2.7
3	FeS粉末	3.0
4	30%过氧化氢	3.7

（5）为了选择试剂X，在相同条件下，分别用3g碳包进行制备MnSO₄的实验，得到数据如表，请写出最佳试剂X与碳包中的主要成分发生反应的化学方程式H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑．
（6）工业上经常采用向滤液2中加入NaHCO₃溶液来制备MnCO₃，不选择Na₂CO₃溶液的原因是碳酸钠溶液碱性强，容易产生Mn（OH）₂沉淀；
（7）该科研小组利用EDTA（乙二胺四乙酸二钠，阴离子简写为Y^2-）进行络合滴定测定Mn²⁺在电池中的百分含量，化学方程式可以表示为Mn²⁺+Y^2-=MnY．实验过程如下：准确称量一节电池的质量平均为24.00g，完全反应后，得到200.00mL滤液2，量取10.00mL滤液2稀释至100.00mL，取20.00mL溶液用0.0500mol•L^-1EDTA标准溶液滴定，平均消耗标准溶液22.00mL，则该方案测得Mn元素的百分含量为25.2%．（保留3位有效数字）

Answer 1

分析 锌锰干电池水浸拆分处理得当金属为锌，电解质浸泡过滤分离得到锌粉和锌酸钾，碳包加入硫酸和过氧化氢，分离得到石墨和滤液1，加入MnS分离锌离子生成硫化锌，过滤得到滤液2为硫酸锰，硫化锌转化为锌酸钾，
（1）电池总反应为2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，正极是得到电子发生还原反应，是二氧化锰生成MnOOH的过程，结合电解质为碱溶液和电荷守恒、原子守恒配平写出；
（2）为了提高碳包的浸出效率，可以适当提高温度、固体粉碎、搅拌等措施加快溶解；
（3）滤液1中含锌离子，加入MnS实现沉淀转化生成硫化锌沉淀；
（4）由MnSO₄的溶解度曲线可知，MnSO₄•H₂O在温度超过40°C后溶解度随温度的升高而降低，则将滤液2溶液蒸发结晶、趁热过滤、洗涤、并低温干燥得到MnSO₄•H₂O晶体；
（5）由表中数据可知选取30%的过氧化氢获得的MnSO₄质量最高，则30%的过氧化物为最佳试剂，与二氧化锰在酸性条件下发生生成硫酸锰、氧气和水，写出化学反应方程式；
（6）相同浓度的碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液相比，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子，碳酸钠溶液碱性强更容易生成氢氧化锰沉淀；
（7）消耗EDTA标准溶液物质的量=0.0500mol/L×0.0220L=0.0011mol，则样品中Mn²⁺的物质的量为0.0011mol×$\frac{100}{20}×\frac{200}{10}$=0.11mol，元素守恒计算得到Mn元素的百分含量．

解答 解（1）电池总反应为2MnO₂+Zn+2KOH=2MnOOH+K₂ZnO₂，锌为负极发生氧化反应，正极为二氧化锰生成MnOOH的过程，结合电解质为碱溶液和电荷守恒、原子守恒配平写出MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-，
故答案为：MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（2）为了提高碳包的浸出效率，可以适当提高温度、固体粉碎、搅拌等措施加快溶解，可以采取的措施有，适当的升温或搅拌等，
故答案为：适当的升温或搅拌；
（3）滤液1中含锌离子，加入MnS实现沉淀转化生成硫化锌沉淀，向滤液1中加入MnS的目的是；将溶液中的Zn²⁺离子转化为ZnS沉淀而除去，
故答案为：将溶液中的Zn²⁺离子转化为ZnS沉淀而除去；
（4）由MnSO₄的溶解度曲线可知，MnSO₄•H₂O在温度超过40°C后溶解度随温度的升高而降低，所以从滤液2中析出MnSO₄•H₂O晶体的操作是蒸发结晶、趁热过滤减少损失、洗涤、并低温干燥防止分解，得到MnSO₄•H₂O晶体，
故答案为：趁热过滤；
（5）由表中数据可知选取30%的过氧化氢获得的MnSO4质量最高，则30%的过氧化物为最佳试剂，与二氧化锰在酸性条件下发生生成硫酸锰、氧气和水，写出化学反应方程式为：H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑，
故答案为：H₂O₂+MnO₂+H₂SO₄=MnSO₄+2H₂O+O₂↑；
（6）相同浓度的碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液相比，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子，工业上经常采用向滤液2中加入NaHCO₃溶液来制备MnCO₃，不选择Na₂CO₃溶液的原因是：碳酸钠溶液碱性强，容易产生Mn（OH）₂沉淀，
故答案为：碳酸钠溶液碱性强，容易产生Mn（OH）₂沉淀；
（7）消耗EDTA标准溶液物质的量=0.0500mol/L×0.0220L=0.0011mol，Mn²⁺+Y^2-=MnY，则样品中Mn²⁺的物质的量为0.0011mol×$\frac{100}{20}×\frac{200}{10}$=0.11mol，
元素守恒得到Mn元素的百分含量=$\frac{0.11mol×55g/mol}{24.00g}$×100%=25.2%，
故答案为：25.2%．

点评 本题考查了物质提纯分离过程、溶解度变化分析、原电池电极反应书写、氧化还原反应和盐类水解应用，注意题干信息的分析应用，掌握基础是解题关键，题目难度中等．