Question

4．MnO₂和锌是制造锌锰电池的主要原料，一种新工艺采用软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂杂质）和闪锌矿（主要成分为ZnS，含少量FeS、CuS、CdS杂质）为原料生产MnO₂和锌，其简化工艺流程如下（中间产物的固体部分已经略去）：

已知：
①浸取时发生的主要反应为：MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O，杂质FeS、CuS、CdS也会发生类似反应．
②某些金属离子完全沉淀的pH如下表：

	Zn2+	Mn2+	Fe2+	Fe3+	Al3+
pH	8.0	10.1	9.0	3.2	4.7

请回答下列问题：
（1）步骤Ⅰ中浸取时Al₂O₃与稀硫酸反应的化学方程式为Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O．
（2）步骤Ⅱ中还原回收得到的金属单质是Cu、Cd．
（3）步骤Ⅲ中MnO₂的作用是将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，适宜选作物质W的试剂为BD（选填编号）．
A．NaOH    B．ZnO    C．NH₃•H₂O    D．MnCO₃
（4）酸性锌锰干电池放电时，负极的电极反应式为Zn-2e^-═Zn²⁺．
（5）MnSO₄可用于制备MnCO₃，MnCO₃在空气中加热反应也可制得MnO₂．
已知25℃，101kPa时：
Mn（s）+O₂（g）=MnO₂（s）△H₁=-520kJ•mol^-1
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ•mol^-1
2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H₃=-894kJ•mol^-1
MnCO₃在空气中加热反应生成MnO₂的热化学方程式为2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=-933kJ•mol^-1．
（6）按照图示流程，若某次生产过程中使用了100t闪锌矿，其中ZnS含量为80%，浸取时ZnS的损失率为3%，最终得到87t MnO₂．假设流程中每个步骤都反应完全，电解（使用惰性电极）时无其他产物生成，则流程中除杂质所引入的锌元素的质量为13t．

Answer 1

分析 软锰矿、闪锌矿和稀硫酸混合，发生的反应有MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+FeS+2H₂SO₄=MnSO₄+FeSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CdS+2H₂SO₄=MnSO₄+CdSO₄+S↓+2H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，二氧化硅不溶于稀硫酸，然后过滤，滤液中含有MnSO₄、FeSO₄、CuSO₄、CdSO₄、Al₂（SO₄）₃，向滤液中加入Zn，Zn能还原Cu²⁺、Cd²⁺得到Cu、Cd，过滤向滤液中加入二氧化锰和W，二氧化锰具有氧化性，能氧化还原性离子Fe²⁺，W能使溶液中铁离子、铝离子反应生成沉淀，则W能和氢离子反应且不能引进新的杂质；电解硫酸锌和硫酸锰溶液得到Zn、MnO₂和稀硫酸；
（1）Al₂O₃是两性氧化物，能和H₂SO₄反应生成Al₂（SO₄）₃和 H₂O；
（2）根据流程图中反应前后离子变化确定回收金属成分；
（3）二氧化锰具有氧化性，能氧化还原性离子；
W能和氢离子反应而调节溶液的pH，且不能引进新的杂质；
（4）放电时负极上锌失电子发生氧化反应；
（5）根据盖斯定律写出该反应热化学方程式；
（6）闪锌矿浸取后m（Zn）=100t×80%×（1-97%）×$\frac{65}{97}$=52t，电解反应式为Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺，根据方程式中锌元素和二氧化锰之间的关系式计算需要Zn的质量．

解答 解：软锰矿、闪锌矿和稀硫酸混合，发生的反应有MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+FeS+2H₂SO₄=MnSO₄+FeSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+CdS+2H₂SO₄=MnSO₄+CdSO₄+S↓+2H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，二氧化硅不溶于稀硫酸，然后过滤，滤液中含有MnSO₄、FeSO₄、CuSO₄、CdSO₄、Al₂（SO₄）₃，向滤液中加入Zn，Zn能还原Cu²⁺、Cd²⁺得到Cu、Cd，过滤向滤液中加入二氧化锰和W，二氧化锰具有氧化性，能氧化还原性离子Fe²⁺，W能使溶液中铁离子、铝离子反应生成沉淀，则W能和氢离子反应且不能引进新的杂质；电解硫酸锌和硫酸锰溶液得到Zn、MnO₂和稀硫酸；
（1）Al₂O₃是两性氧化物，能和H₂SO₄反应生成Al₂（SO₄）₃和 H₂O，反应方程式为Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O，
故答案为：Al₂O₃+3H₂SO₄═Al₂（SO₄）₃+3H₂O；
（2）根据流程图中反应前后离子变化确定回收金属成分为Cu、Cd，故答案为：Cu、Cd；
（3）二氧化锰具有氧化性，能氧化还原性离子亚铁离子，然后将铁离子除去；
W能和氢离子反应而调节溶液的pH，且不能引进新的杂质，符合条件的有BD，一水合氨和NaOH虽然能调节溶液的pH但引进新的杂质，
故答案为：将Fe²⁺氧化成Fe³⁺；BD；
（4）放电时负极上锌失电子发生氧化反应，电极反应式为Zn-2e^-═Zn²⁺，故答案为：Zn-2e^-═Zn²⁺；
（5）Mn（s）+O₂（g）=MnO₂（s）△H₁=-520kJ•mol^-1 ①
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ•mol^-1 ②
2Mn（s）+2C（s）+3O₂（g）=2MnCO₃（s）△H₃=-894kJ•mol^-1③，
将方程式；2（①+②）-③得2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=2（-520kJ•mol^-1-393.5kJ•mol^-1 ）-（-894kJ•mol^-1）=-933 kJ•mol^-1，
故答案为：2MnCO₃（s）+O₂（g）═2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H=-933 kJ•mol^-1；
（6）闪锌矿浸取后m（Zn）=100t×80%×（1-97%）×$\frac{65}{97}$=52t，电解反应式为Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺，
设生成87t二氧化锰所需锌元素质量为x，
Zn ²⁺+Mn ²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn↓+MnO₂↓+4H⁺
65                        87
x                        87t
65：87=x：87t
x=$\frac{65×87t}{87}$=65t
实际上有52t，则还需要65t-52t=13t，
故答案为：13．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，涉及化学方程式的计算、原电池原理、盖斯定律、除杂等知识点，侧重考查学生分析计算及知识的综合运用，明确化学原理、各个物理量之间的关系及流程图中发生的反应及可能存在的离子或物质是解本题关键，题目难度中等．