Question

13．锰是一种银白色的脆性金属，强度不如铁，但把锰加到钢铁中，竟然能使钢铁的强度提高4～8倍，而且还提高了钢的耐磨性，所以锰钢在工农业生产及国防建设中有着广泛的用途．
用阴离子膜电解法的新技术从含有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等成分的锰矿石中提取金属锰，其工艺流程如下（图1）：

已知FeCO₃、MnCO₃难溶于水．
（1）设备1中反应后，滤液1里锰元素只以Mn²⁺的形式存在，且滤渣1中也无MnO₂．则滤渣1的主要成分是SiO₂（填化学式）．
（2）设备1中发生氧化还原反应的离子方程式是2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O．
（3）设备2中加足量双氧水的作用是将Fe²⁺完全氧化为Fe³⁺．设计实验方案检验滤液2中是否存在Fe^2+：取滤液2，加入铁氰化钾溶液，如果有蓝色沉淀产生，则有Fe²⁺，否则没有Fe²⁺．
（4）设备4中加入过量氢氧化钠溶液，沉淀部分溶解．用化学平衡移动原理解释原因：滤渣2中存在Al（OH）₃，存在电离平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，浓度减低，Al（OH）₃不断溶解．
（5）设备3中用阴离子膜法提取金属锰的电解装置如图2：
①电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向，则A电极是直流电源的负极．实际生产中，阳极以稀硫酸为电解液，其电极反应式为4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．
②该工艺之所以采用阴离子交换膜，是为了防止Mn²⁺进入阳极区发生副反应生成MnO₂造成资源浪费，写出该副反应的电极反应式Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

Answer 1

分析 锰矿物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反应，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃与硫酸反应得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而滤液1里锰元素只以Mn²⁺的形式存在，且滤渣1中也无MnO₂，酸性条件下MnO₂将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，过滤除去二氧化硅等不溶物，滤渣1为SiO₂等不溶物．滤液1中加入过氧化氢将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，再加入氨水调节溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺转化为Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，过滤分离，滤液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，滤渣2为Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向滤渣2中加入氢氧化钠，氢氧化铝溶解得到NaAlO₂，过滤分离．滤液2电解得到Mn，
（1）滤渣1的主要成分是二氧化硅；
（2）设备1中发生氧化还原反应：二氧化锰在酸性条件下将+2价铁氧化为铁离子，二氧化硫被还原得到Mn²⁺；
（3）设备2中加足量双氧水将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子；利用加入铁氰化钾溶液检验Fe²⁺离子；
（4）Al（OH）₃存在电离平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，平衡正向移动，氢氧化铝被溶解；
（5）①电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向，则左室为阴极室，右室为阳极室，A为电源的负极，B为电源的阳极，阳极以稀硫酸为电解液，溶液中氢氧根离子放电生成氧气；
②Mn²⁺进入阳极区，发生氧化反应生成MnO₂，需要有水参与反应，根据电荷守恒可知有氢离子生成．

解答 解：锰矿物的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、SiO₂、Al₂O₃等，用硫酸溶解，SiO₂不硫酸反应，MnCO₃、FeCO₃、Al₂O₃与硫酸反应得到MnSO₄、FeSO₄、Al₂（SO₄）₃，而滤液1里锰元素只以Mn²⁺的形式存在，且滤渣1中也无MnO₂，酸性条件下MnO₂将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，过滤除去二氧化硅等不溶物，滤渣1为SiO₂等不溶物．滤液1中加入过氧化氢将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，再加入氨水调节溶液pH使Fe³⁺、Al³⁺转化为Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，过滤分离，滤液2中含有MnSO₄、NH₄SO₄等，滤渣2为Fe（OH）₃、Al（OH）₃，向滤渣2中加入氢氧化钠，氢氧化铝溶解得到NaAlO₂，过滤分离．滤液2电解得到Mn，
（1）根据分析可知，滤渣1的主要成分是SiO₂，
故答案为：SiO₂；
（2）设备1中发生氧化还原反应：二氧化锰在酸性条件下将+2价铁氧化为铁离子，二氧化硫被还原得到Mn²⁺，反应离子方程式为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O，
故答案为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O 或2FeCO₃+MnO₂+8H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+CO₂↑+4H₂O；
（3）设备2中加足量双氧水将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，便于调节pH时转化为沉淀除去，检验滤液2中是否存在Fe²⁺的方案为：取滤液2，加入铁氰化钾溶液，如果有蓝色沉淀产生，则有Fe²⁺，否则没有Fe²⁺，
故答案为：将Fe²⁺完全氧化为Fe³⁺；取滤液2，加入铁氰化钾溶液，如果有蓝色沉淀产生，则有Fe²⁺，否则没有Fe²⁺；
（4）根据分析可知，滤渣2中存在Al（OH）₃，存在电离平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，浓度减低，导致Al（OH）₃不断溶解，
故答案为：滤渣2中存在Al（OH）₃，存在电离平衡：Al³⁺+3OH^-?Al（OH）₃?AlO₂^-+H⁺+H₂O，加入NaOH溶液，H⁺被中和，浓度减低，Al（OH）₃不断溶解；
（5）①电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向，则左室为阴极室，右室为阳极室，A为电源的负极，B为电源的阳极，阳极以稀硫酸为电解液，溶液中氢氧根离子放电生成氧气，电极反应为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案为：负极；4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
②Mn²⁺进入阳极区，发生氧化反应生成MnO₂，需要有水参与反应，根据电荷守恒可知有氢离子生成，该副反应的电极反应式：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．

点评 本题通过锰的制备工艺流程，考查了制备方案的设计、阅读题目获取信息能力，题目难度中等，涉及物质的分离提纯、化学平衡移动、电解原理等知识，根据制备流程明确目的、实验原理为解答关键，试题综合性较大，需要学生具备扎实的基础知识与综合运用知识、信息进行解决问题的能力．