Question

15．工业上可用软锰矿（主要成分是MnO₂）和黄铁矿（主要成分是FeS₂）为主要原料制备高性能磁性材料碳酸锰（MnCO₃）．其工业流程如图1：

已知：MnCO₃难溶于水、乙醇，潮湿时易被空气氧化，100℃开始分解．回答下列问题：
（1）净化工序的目的是除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质．若测得滤液中c（F^-）=0.01mol•L^-1，滤液中残留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6 mol/L〔已知：K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10〕
（2）沉锰工序中，298K、c（Mn²⁺）为1.05mol•L^-1时，实验测得MnCO₃的产率与溶液pH、反应时间的关系如图所示．根据图2中信息得出的结论是pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高．
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃的操作方法是：过滤、先水洗2-3次、再用乙醇洗涤、低温干燥（或低于100℃干燥）．
（4）为测定某软锰矿中二氧化锰的质量分数，准确称量1.20g软锰矿样品，加入2.68g草酸钠固体，再加入足量的稀硫酸并加热（杂质不参加反应），充分反应后冷却，将所得溶液转移到250mL容量瓶中用蒸馏水稀释至刻度，从中取出25.0mL，用0.0200mol•L^-1高锰酸钾溶液进行滴定，当滴入20.0mL溶液时恰好完全反应．
已知高锰酸钾、二氧化锰在酸性条件下均能将草酸钠（Na₂C₂O₄）氧化：
2MnO₄^-+5C₂O₄^2-+16H⁺═2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
MnO₂+C₂O₄^2-+4H⁺═Mn²⁺+2CO₂↑+2H₂O
求该软锰矿中二氧化锰的质量分数72.5%（写出计算过程）．

Answer 1

分析 由流程可知软锰矿（主要成分MnO₂）和黄铁矿加入硫酸酸浸，FeS₂和稀硫酸反应生成Fe²⁺，由沉锰后得到碳酸锰，可知酸性条件下二氧化锰被亚铁离子还原为Mn²⁺，过滤分离，再加入软锰矿将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入CaO调节溶液pH，将Fe³⁺转化为Fe（OH）₃除去，再过滤分离，加入硫化铵和氟化铵，除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质，再过滤分离，在滤液中加入碳酸氢铵和氨水沉锰，生成MnCO₃沉淀，过滤得到MnCO₃，分液中主要含有（NH₄）₂SO₄．
（1）根据K_sp（CaF₂）=c²（F^-）×c（Ca²⁺）计算；
（2）根据沉锰的图象可知，pH越大得到的MnCO₃的产率越高，且需要的时间越短，且在pH=7时，有更好的效果；
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃，只需将沉淀析出的MnCO₃过滤、洗涤、干燥即可得到碳酸锰；
（4）计算25mL溶液中剩余草酸钠消耗高锰酸钾物质的量，可得250mL溶液消耗高锰酸钾的物质的量，根据电子转移守恒计算二氧化锰的物质的量，进而计算样品中二氧化锰的质量分数．

解答 解：由流程可知软锰矿（主要成分MnO₂）和黄铁矿加入硫酸酸浸，FeS₂和稀硫酸反应生成Fe²⁺，由沉锰后得到碳酸锰，可知酸性条件下二氧化锰被亚铁离子还原为Mn²⁺，过滤分离，再加入软锰矿将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入CaO调节溶液pH，将Fe³⁺转化为Fe（OH）₃除去，再过滤分离，加入硫化铵和氟化铵，除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质，再过滤分离，在滤液中加入碳酸氢铵和氨水沉锰，生成MnCO₃沉淀，过滤得到MnCO₃，分液中主要含有（NH₄）₂SO₄．
（1）K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10，c（F^-）=0.01 mol•L^-1，则c（Ca²⁺）=$\frac{1.46×1{0}^{-10}}{0.0{1}^{2}}$mol/L=1.46×10^-6mol•L^-1，
故答案为：1.46×10^-6 mol/L；
（2）从沉锰的图象可以看出，在已给的几个pH值条件下，pH越大得到的MnCO₃的产率越高，且需要的时间越短，且在pH=7时，有更好的效果，因此结论是pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高，
故答案为：pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高；
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃的操作方法是：过滤、先水洗2-3次、再用乙醇洗涤、低温干燥（或低于100℃干燥），用水洗去可溶性杂质，用乙醇洗去水分，低温干燥防止碳酸锰分解，
故答案为：先水洗2-3次、再用乙醇洗涤、低温干燥（或低于100℃干燥）；
（4）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；
滴定250mL稀释后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×$\frac{250mL}{25mL}$=0.00400mol；
根据氧化还原反应中得失电子数相等得：n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
解得n（MnO₂）=0.0100mol，
二氧化锰质量分数=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.20g}$×100%=72.5%，
故答案为：72.5%．

点评 本题考查物质制备工艺流程，涉及溶度积常数计算、物质分离和提纯操作、图象分析、氧化还原反应滴定与计算等知识点，侧重考查学生分析理解能力与计算能力，需要学生具备扎实的基础．