Question

工业上以软锰矿为原料，利用烧结烟气中的SO₂制备MnSO₄·H₂O的流程如下：

某软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si(16.27%)、Fe(5.86%)、Al(3.42%)、Zn(2.68%)和Cu（0.86%）等元素的化合物。酸浸过程发生反应：Me_mO_n+H⁺→Me^（2n/m）++H₂O，Me表示Fe、 Al、 Zn、 Cu等。25℃时部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH见下表：        

沉淀物	Al(OH)3	Fe(OH)3	Fe(OH)2	Mn(OH)2	Cu(OH)2	Zn(OH)2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

 
回答下列问题：
（1）酸浸时SO₂将MnO₂还原为MnSO₄，其离子方程式为      　　             。
酸浸时SO₂的吸收率与pH和温度的关系如下图，为提高SO₂的吸收率，酸浸适宜的条件是　　　　　　　               　　。
               
图1： SO₂的吸收率与 pH值的关系  　   图2： SO₂的吸收率与温度的关系
（2）滤渣B的主要成分是                 　　  。
（3）加入MnS的目的是             　  　　　　　　  。
（4）操作IV的步骤为　　　　　　、　　　　　　　、过滤、洗涤、干燥。
（5）MnO₂的生产方法之一是以石墨为电极，在不断搅拌情况下，电解酸化的MnSO₄溶液，阳极的电极反应式为：　　　               　　　　　　　　。
（6）已知金属离子浓度小于1.0×10^－5mol/L时认为已经完全沉淀，根据表格数据，计算25℃时Zn(OH)₂溶度积K_sp为            （不需计算过程，计算结果保留两位有效数字）。

Answer 1

（17分）
（1） MnO₂ +SO₂= Mn²⁺+SO₄^2－（3分）   pH为3左右、温度为40℃左右（2分）
（2）Fe(OH)₃、Al(OH)₃  （2分） 
（3）除去Cu²⁺、Zn²⁺  （2分）
（4）蒸发浓缩    冷却结晶 （2分）
（5）Mn²⁺－2e^－+2H₂O = MnO₂+ 4H⁺ （3分）
（6）1.0×10^－17 （3分）

试题分析：（1）依题意，二氧化硫是还原剂，二氧化锰是氧化剂，硫酸根离子是氧化产物，锰离子是还原产物，根据元素化合价升降的最小公倍数、电荷和原子个数守恒法配平可得：MnO₂ +SO₂= Mn²⁺+SO₄^2－；读图可知，其它变量保持不变时，酸浸溶液pH为3左右时，二氧化硫的吸收率最大；其它变量保持不变时，酸浸溶液温度为40℃左右时，二氧化硫的吸收率最大；为了提高二氧化硫的吸收率，酸浸适宜的条件是pH为3左右、温度为40℃左右；（2）酸浸时，二氧化锰被二氧化硫氧化，所得硫酸锰溶于水，而铁的氧化物、铝的氧化物、锌的氧化物、铜的氧化物均溶于硫酸，只有硅的氧化物不溶于硫酸和水，则滤渣A的主要成分是二氧化硅；操作I是过滤，所得滤液主要含有Mn²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、SO₄^2－、H⁺，酸性条件下通入氧气的目的是除去Fe²⁺，使亚铁离子完全氧化为铁离子且消耗溶液中的氢离子，发生的反应为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，通入氨水中和过量的酸，NH₃?H₂O+H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄，使溶液的pH增大；读表中金属阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时的pH可得，若调pH至5.4，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，生成Fe(OH)₃、Al(OH)₃，则滤渣B的主要成分是Fe(OH)₃、Al(OH)₃，操作II是过滤，所得滤液的pH约为5.4，主要含有Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、SO₄^2－、NH₄⁺、H⁺；（3）读表格中金属阳离子以硫化物形式完全沉淀时的pH可得，向pH约为5.4的滤液中加入MnS，加热煮沸时，可以除去Cu²⁺、Zn²⁺，且引入Mn²⁺，既除去杂质又不引入新的杂质；（4）操作III是过滤，滤渣C的主要成分是CuS、ZnS；所得滤液的pH约为5.4，主要含有Mn²⁺、SO₄^2－、NH₄⁺、H⁺，从该溶液中分离出MnSO₄?H₂O的方法是结晶，主要步骤是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；（5）阳极发生氧化反应，反应物中所含元素的化合价升高，由此推断阳极的主要反应物是Mn²⁺，主要产物是MnO₂，根据化合价升高总数等于失去电子数，根据酸性溶液中用氢离子和水使左右电荷、原子守恒，可以书写并配平该阳极反应式：Mn²⁺－2e^－+2H₂O = MnO₂+ 4H⁺；（6）氢氧化锌是难溶电解质，存在如下平衡： Zn(OH)₂(s)Zn²⁺+2OH^－，由于表中氢氧化锌完全沉淀时溶液pH=8.0，25℃时K_w=1.0×10^－14，则该溶液中c(H⁺)=1.0×10^－8mol/L，c(OH^－)=K_w/ c(H⁺)=10^－6mol/L，由于此时溶液c(Zn²⁺)=1.0×10^－5mol/L，则K_sp[Zn(OH)₂(s)]= c(Zn²⁺)? c²(OH^－)= 1.0×10^－17，注意保留两位有效数字。