题目内容

【题目】碳酸锰是制造电信器材软磁铁氧体、合成二氧化锰和制造其它锰盐的原料,用于医药、电焊条辅助原料等。工业上用氯化铵焙烧菱锰矿粉制备高纯度碳酸锰的工艺流程如下:

已知:①菱锰矿粉的主要成分是MnCO3,还含少量Fe、Al、Ca、Mg等元素。

②相关金属Mn+离子浓度c(Mn+)=0.1 mol L -1,形成M(OH)n沉淀的pH范围如下:

金属离子

Fe2+

Fe3+

Al3+

Mn2+

Mg2+

开始沉淀的pH

6.3

1.5

3.8

8.8

9.6

沉淀完全的pH

8.3

2.8

5.2

10.8

11.6

③常温下,Ksp(CaF2) =1.46×10-10,Ksp(MgF2) = 7.30×10-11

回答下列问题:

(1)混合研磨成细粉的目的是_________________。

(2)“焙烧”时发生的主要反应的化学方程式为_____________。

(3)浸出液“净化除杂”过程如下:首先加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+,反应的离子方程式为________;再调节溶液pH范围为________将Al3+、Fe3+变为沉淀除去;再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+,当c(Ca2+)=1.0×10-5molL-1时,c(Mg2+)=______molL-1。

(4)碳化结晶过程中不能用(NH4)2CO3溶液代替NH4HCO3溶液可能的原因是_________。

(5)在操作流程中可以循环利用的物质是__________。

(6)测定碳酸锰产品的纯度。

称取0.2500g碳酸锰产品于锥形瓶中,加25.00 mL磷酸,加热,碳酸锰全部转化为[Mn(PO4)2]3-,冷却至室温。加水稀释至50 mL,滴加2~3滴指示剂,然后用浓度为0.2000 mol·L-1的硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]标准溶液滴定(反应为:[Mn(PO4)2]3-+Fe2+=Mn2++Fe3++2)。重复操作3次,记录数据如下表:

滴定

次数

0.2000mol·L-1的硫酸亚铁铵标准溶液读数(mL)

滴定前

滴定后

1

0.10

10.20

2

0.22

11.32

3

1.05

10.95

则产品的纯度=____________,若滴定终点时俯视读数,则测得的碳酸锰粗产品的纯度__________。(填“偏高”、“偏低”或“无影响”)。

【答案】增大接触面积,提高反应速率 MnCO3+2NH4Cl MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O 5.2≤pH<8.8 5×10-6 碳酸根离子水解程度大,碳酸铵溶液中c(OH-)较大,易产生Mn(OH)2沉淀 NH4Cl 92.00% 偏低

【解析】

菱锰矿粉的主要成分是MnCO3,还含少量Fe、Al、Ca、Mg等元素,加入氯化铵混合研磨后、焙烧,此时发生反应,由流程图可知,MnCO3与NH4Cl反应生成NH3、CO2、氯化锰等,其它金属元素转化为金属氯化物;往浸出液中加入MnO2,将Fe2+氧化为Fe3+;再调节溶液pH范围,将Fe3+、Al3+转化为氢氧化物沉淀;再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+;最后加碳酸氢铵,将Mn2+转化为MnCO3沉淀。

(1)混合研磨成细粉,可增大固体颗粒间的接触,从而得出目的是增大接触面积,提高反应速率。答案为:增大接触面积,提高反应速率;

(2)“焙烧”时,MnCO3与NH4Cl反应生成NH3、CO2、氯化锰等,发生的主要反应的化学方程式为MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O。答案为:MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O;

(3)浸出液“净化除杂”过程如下:首先加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+,而MnO2被还原为Mn2+,反应的离子方程式为MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O;再调节溶液pH范围,让Al3+、Fe3+全部生成沉淀,而Ca2+、Mg2+不生成沉淀,所以pH范围为5.2≤pH<8.8;再加入NH4F沉淀Ca2+、Mg2+,当c(Ca2+)=1.0×10-5molL-1时,c(Mg2+)===5×10-6molL-1。答案为:MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O;5.2≤pH<8.8;5×10-6;

(4)碳化结晶过程中不能用(NH4)2CO3溶液代替NH4HCO3溶液,主要从溶液的碱性强,Mn2+会转化为锰的氢氧化物角度分析,可能的原因是碳酸根离子水解程度大,碳酸铵溶液中c(OH-)较大,易产生Mn(OH)2沉淀。答案为:碳酸根离子水解程度大,碳酸铵溶液中c(OH-)较大,易产生Mn(OH)2沉淀;

(5)在操作流程中,反应物中加入了NH4Cl,分离滤液和滤饼时又获得了氯化铵,所以可以循环利用的物质是NH4Cl。 答案为:NH4Cl;

(6)测定碳酸锰产品的纯度时,3次滴定操作中的第2次误差过大,实验数据不能采用,由此可得出两次有效滴定所用标准溶液的平均体积为=10.00mL,由反应可得出如下关系式:MnCO3——(NH4)2Fe(SO4)2,n(MnCO3)=n[(NH4)2Fe(SO4)2]= 0.2000 mol·L-1×0.010L=2×10-3mol,则产品的纯度==92.00%,若滴定终点时俯视读数,则读出的硫酸亚铁铵标准溶液的体积偏小,测得的碳酸锰粗产品的纯度偏低。答案为:92.00%;偏低。

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