Question

8．锰（Mn）、钴（Co）都是重要的过渡元素，其氧化物常用作化学反应中的催化剂．
I、
（1）工业上用图1所示装置制备MnO₂．接通电源后，A电极的电极反应式为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，当生成1mol MnO₂，则膜两侧电解液的质量变化差（△m左-△m右）为89g．

（2）已知25℃、101kPa时，Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1，则SO₂与MnO₂反应生成无水MnSO₄的热化学方程式为MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol．
II、利用钴渣[含Co（OH）₃、Fe（OH）₃等]制备钴氧化物的工艺流程如图2：
（1）溶解还原过程中Co（OH）₃发生反应的离子方程式为2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
（2）铁渣中铁元素的化合价为+3；
（3）CoC₂O₄是制备钴的氧化物的重要原料．二水合草酸钴（CoC₂O₄•2H₂O）在空气中受热 的质量变化曲线如图3所示，曲线中300℃及300℃以上所得固体均为钴氧化物．
①通过计算确定C点剩余固体的化学成分为Co₃O₄（填化学式）；
②写出B点对应的物质与O₂在225℃～300℃发生反应的化学方程式：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）由装置图可知，B电极上有气体生成，发生还原反应，应是氢离子放电生成氢气，A为阳极，阳极上是Mn²⁺失去电子得到MnO₂，由电荷守恒可知还有H⁺生成，氢离子通过质子交换膜移向右室，根据电子转移可知移向右室的氢离子生成氢气，右室电解质溶液质量不变，两侧电解液的质量变化差为二氧化锰与移向右室氢离子的质量；
（2）已知：①Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
由盖斯定律③-②-①可得；
Ⅱ钴渣[含Co（OH）₃、Fe（OH）₃等]用硫酸和亚硫酸钠浸液，Co（OH）₃、Fe（OH）₃溶解，2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；Fe（OH）₃加硫酸溶解后为铁离子，再与亚硫酸钠发生氧化还原反应生成亚铁离子，在浸液中通入氧气、加入氯酸钠除铁，纯化处理，加入碳酸氢铵，得到CoCO₃沉淀，煅烧后得到钴的氧化物，据此分析．

解答 解：I （1）由装置图可知，B电极上有气体生成，发生还原反应，应是氢离子放电生成氢气，A为阳极，阳极上是Mn²⁺失去电子得到MnO₂，由电荷守恒可知还有H⁺生成，氢离子通过质子交换膜移向右室，阳极电极反应式为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，根据电子转移可知移向右室的氢离子生成氢气，右室电解质溶液质量不变，两侧电解液的质量变化差为二氧化锰与移向右室氢离子的质量，当制备1mol MnO₂，转移电子为2mol，则移向右室的氢离子为2mol，则膜两侧电解液的质量变化差（△m_左-△m_右）为1mol×87g/mol+2mol×1g/mol=89g，
故答案为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；89；
（2）已知：①Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
由盖斯定律③-②-①可得MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
故答案为：MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
II（1）Co（OH）₃溶解还原反应为Co（OH）₃、H⁺、SO₃^2-的氧化还原反应，其离子反应为2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
故答案为：2Co（OH）₃+4H⁺+SO₃^2-=2Co²⁺+SO₄^2-+5H₂O；
（2）由制备流程可知，加硫酸溶解后为铁离子，再与亚硫酸钠发生氧化还原反应生成亚铁离子，在浸液中通入氧气时亚铁离子被氧化为铁离子，可知铁渣中铁元素的化合价为+3价；
故答案为：+3；
（3）①由图可知，CoC₂O₄•2H₂O的质量为18.3g，其我知道可为0.1mol，Co元素质量为5.9g，C点钴氧化物质量为8.03g，氧化物中氧元素质量为8.03g-5.9g=2.13g，则氧化物中Co原子与O原子物质的量之比为0.1mol：$\frac{2.13g}{16g/mol}$≈3：4，C的Co氧化物为Co₃O₄；
B点对应物质的质量为14.7g，与其起始物质的质量相比减少18.3g-14.7g=3.6g，为结晶水的质量，故B点物质为CoC₂O₄，与氧气反应生成Co₃O₄与二氧化碳，反应方程式为：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂，
故答案为：Co₃O₄；3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂．

点评 本题考查物质的制备、盖斯定律、化学反应图象的有关进行计算，关键是根据质量分析各点物质的成分，注意利用守恒法计算，避免计算繁琐，需要学生具备知识的基础，难度中等．