题目内容
【题目】金属锰在冶金工业中用来制造特种钢,常作为脱硫剂和去氧剂,其化合物广泛应用于电池、机械制造业等领域。
(1)以软锰矿(主要为MnO2)为原料通过热还原法得到金属锰涉及的两个反应:
①3MnO2(s)=Mn3O4(s)+ O2(g) △H1= akJmol-1
②3Mn3O4(s)+ 8Al(s) =4A12O3(s) + 9Mn(s) △H2= bkJmol-1
已知A1的燃烧热为 ckJmol-1,则MnO2与A1发生铝热反应的热化学方程式为___________。
(2)科研人员将制得的锰粉碎后加入到SnCl2溶液中使其浸出(假定杂质不反应,溶液 体积不变),发生反应Mn(s)+ Sn2+(aq)Mn2+(aq)+ Sn(s)(已知含Sn2+水溶液为米黄色)
请回答下列问题:
①为加快反应速率可以采取的措施有__________;不考虑温度因素,一段时间后Mn的溶解速率加快,可能的原因是____________________。
②下列能说明反应已达平衡的有____________________(填编号)。
A.溶液的颜色不发生变化
B.溶液中c(Mn2+)=c( Sn2+)
C.体系中固体的质量不变
D.Mn2+与Sn2+浓度的比值保持不变
③室温下,测得溶液中阳离子浓度c(R2+)随时间的变化情况如下图所示,则上述反应的平衡常数K=_________________,Mn2+的产率为____________。
④若其他条件不变,10min后向容器中迅速加入蒸馏水至溶液体积变为原来的2倍,则 再次平衡时c(Mn2+) =____________(不考虑离子水解的影响)。
(3)MnO2也可在MnSO4-H2SO4-H2O为体系的电解液中电解获得,其阳极反应式为_____________________,阳极附近溶液的pH____________(选填“增大”、“减小”或“不变”)。
(4)电解制锰后的废水中含有Mn2+,常用石灰乳进行一级沉降得到Mn(OH)2沉淀,过滤后再向滤液中加入等体积的Na2S溶液,进行二级沉降。为了将Mn2+的浓度降到1.0×l0-9mol/L,则加入的Na2S溶液的浓度至少是____________mol/L [已知Ksp(MnS)=4.5×l0-14]。
【答案】3MnO2(s) + 4Al(s) ═ 2Al2O3(s) + 3Mn(s) △H =(3a+b+4c)kJmol-1 升高温度或增大c(Sn2+) 构成多个微型原电池,加快反应速率 ACD 3 75% 0.375molL-1 Mn2+ —2e- +2H2O = MnO2 + 4H+ 减小 9.0×10-5
【解析】
(1)①3MnO2(s)=Mn3O4(s)+ O2(g),②3Mn3O4(s)+ 8Al(s) =4A12O3(s) + 9Mn(s) ,③Al(s)+3/4O2(g)=1/2Al2O3(s) △H=-ckJ·mol-1,MnO2与Al反应的方程式为4Al+3MnO2=2Al2O3+3Mn,因此有(3×①+②+4×③)/3,得出:3MnO2(s) + 4Al(s) ═ 2Al2O3(s) + 3Mn(s) △H=(3a+b+4c)/3kJ·mol-1;
(2)①加快反应速率,可以适当升高温度,增加c(Sn2+)等;根据反应方程式,有Sn单质的生成,与Mn构成原电池,加快反应速率;
②A、Mn2+、Sn2+是有颜色的离子,当溶液颜色不再改变,说明反应达到平衡,故A符合题意;
B、不知投入量和转化率,因此无法通过c(Mn2+)=c(Sn2+),判断是否达到平衡,故B不符合题意;
C、Mn和Sn摩尔质量不同,因此当体系固体质量不变,说明达到平衡,故C符合题意;
D、随着反应进行,Mn2+的量增大,Sn2+量减少,当Mn2+与Sn2+浓度的比值保持不变,说明反应达到平衡,故D符合题意;
③随着反应进行,c(Mn2+)增大,c(Sn2+)减小,该反应的平衡常数,K=c(Mn2+)/c(Sn2+)=0.75mol·L-1/0.25mol·L-1=3;因为是同一溶液反应,因此物质的量之比等于物质的量浓度之比,Mn2+的产率为0.75mol·L-1/(0.75mol·L-1+0.25mol·L-1)×100%=75%;
④Mn2+和Sn2+的系数相等,Mn和Sn为固体,因此加水稀释,平衡不移动,加入蒸馏水至溶液体积变为原来的2倍,c(Mn2+)为原来平衡时的一半,即c(Mn2+)=0.75mol·L-1/2=0.375mol·L-1;
(3)根据电解原理,阳极上失去电子,化合价升高,因此MnSO4在阳极上放电,其电极反应式为Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+;该电极产生H+,酸性增强,pH减小;
(4)Mn2+为1.0×10-9mol·L-1,此时MnS溶液为饱和溶液,根据c(S2-)=Ksp(MnS)/c(Mn2+)=4.5×10-14/1.0×10-9=4.5×10-5mol·L-1,滤液中加入等体积的Na2S溶液,则加入Na2S溶液的浓度至少为4.5×10-5×2mol·L-1=9.0×10-5mol·L-1。
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