Question

20．锰的用途非常广泛，在钢铁工业中，锰的用量仅次于铁，90%的锰消耗于钢铁工业，10%的锰消耗于有色冶金、化工、电子、电池、农业等部门．以碳酸锰矿（主要成分为MnCO₃，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质）为原料生产金属锰的工艺流程如图：

已知25℃，部分物质的溶度积常数如下：

物质	Mn（OH）2	Co（OH）2	Ni（OH）2	MnS	CoS	NiS
Ksp	2.1×10-13	3.0×10-16	5.0×10-16	1.0×10-11	5.0×10-22	1.0×10-22

（1）步骤Ⅰ中，MnCO₃与硫酸反应的化学方程式是MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
（2）步骤Ⅰ中需要加入稍过量的硫酸，其目的有3点：①使矿物中的物质充分反应；②提供第Ⅱ步氧化时所需要的酸性环境；③抑制Mn²⁺的水解；
（3）步骤Ⅱ中，MnO₂在酸性条件下可将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，该反应的离子方是MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；加氨水调节溶液的pH为5.0～6.0，以除去Fe³⁺．
（4）步骤Ⅲ中，需要用到的玻璃仪器除玻璃棒、漏斗外，还有烧杯；滤渣2的主要成分是CoS和NiS；
（5）电解后的废水中还含有Mn²⁺，常用石灰乳进行一级沉降得到Mn（OH）₂沉淀，过滤后再向滤液中加入适量Na₂S，进行二级沉降．欲使溶液中c（Mn²⁺）≤1.0×10^-5 mol•L^-1，则应保持溶液中c（S^2-）≥1.0×10^-6 mol•L^-1．

Answer 1

分析 向碳酸锰矿（主要成分为MnCO₃，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质）中加入硫酸，可以发生反应生成硫酸盐，向其中就如具有氧化性的二氧化锰，可以将亚铁离子氧化为铁离子，调节pH可以将氢氧化铁沉淀下来，向滤液中加入硫化铵，可以将镍离子、钴离子形成硫化物沉淀下来，最后对得到的含有锰离子的盐电解，可以得到金属锰，
（1）加稀硫酸时样品中的MnCO₃和硫酸反应生成可溶性的MnSO₄，并产生二氧化碳和水；
（2）Mn²⁺离子易水解；
（3）据得失电子守恒有MnO₂+2Fe²⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，再据电荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，最后据原子守恒得MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（4）根据操作方法判断缺少的仪器；由于在第一次过滤之后的滤液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根据各物质的溶度积常数可确定有CoS和NiS沉淀（滤渣2）生成；
（5）由于将一级沉降根据MnS的Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）进行计算即可．

解答 解：向碳酸锰矿（主要成分为MnCO₃，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质）中加入硫酸，可以发生反应生成硫酸盐，向其中就如具有氧化性的二氧化锰，可以将亚铁离子氧化为铁离子，调节pH可以将氢氧化铁沉淀下来，向滤液中加入硫化铵，可以将镍离子、钴离子形成硫化物沉淀下来，最后对得到的含有锰离子的盐电解，可以得到金属锰，
（1）加稀硫酸时样品中的MnCO₃和硫酸反应生成可溶性的MnSO₄，并产生二氧化碳和水，步骤Ⅰ中，MnCO₃与硫酸反应的化学方程式为：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O，
故答案为：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
（2）Mn²⁺离子易水解．加入过量硫酸，还可以抑制Mn²⁺的水解，
故答案为：抑制Mn²⁺的水解；
（3）步骤Ⅱ中，MnO₂在酸性条件下可将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺，反应的离子方程式是据得失电子守恒有MnO₂+2Fe²⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，再据电荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，最后据原子守恒得，MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（4）步骤Ⅲ为过滤操作，需要用到的玻璃仪器除玻璃棒、漏斗外，还需要烧杯；
由于在第一次过滤之后的滤液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根据各物质的溶度积常数可确定有CoS和NiS沉淀（滤渣2）生成，
故答案为：烧杯；CoS和NiS；
（5）MnS的Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）=1.0×10^-11，为了将Mn²⁺降到1.0×10^-5mol/L，则c（S^2-）=$\frac{K{\;}_{sp}}{c（Mn{\;}^{2+}）}$=$\frac{1.0×10{\;}^{-11}}{1.0×10{\;}^{-5}}$=1.0×10^-6mol/L，即硫化钠的浓度是1.0×10^-6mol/L，
故答案为：1.0×10^-6．

点评 本题考查了制备方案的设计，题目难度中等，根据制备流程明确制备原理为解答关键，注意掌握难溶物溶解平衡及溶度积的有关计算方法，试题培养了学生的分析、理解能力及化学实验能力．