Question

9．污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题．某研究小组利用软锰矿（主要成分为MnO₂，另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物）作脱硫剂，通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO₂，又制得电池材料MnO₂（反应条件已省略）．

请回答下列问题：
（1）已知：25℃、101kPa时，Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ/mol
S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ/mol
Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1 065kJ/mol
SO₂与MnO₂反应生成无水MnSO₄的热化学方程式是MnO₂（s）+SO₂（g）═MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol．
（2）用离子方程式表示用MnCO₃除去Al³⁺和Fe³⁺的原理（任选其一即可）：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺．
（3）用离子方程式表示用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理（任选其一即可）：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺．
（4）MnO₂是碱性锌锰电池的正极材料．碱性锌锰电池放电时，正极的电极反应式是MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-．
（5）MnO₂可作超级电容器材料．用惰性电极电解酸性MnSO₄溶液可制得MnO₂，其阳极的电极反应式是Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺．
（6）假设脱除的SO₂只与软锰矿浆中MnO₂反应．按照图示流程，将1.00m³（标准状况）含SO₂体积分数16.09%尾气通入矿浆，若SO₂脱除率为89.60%，最终得到MnO₂的质量为1.00kg，则除去铁、铝、铜、镍等杂质时，所引入锰元素相当于MnO₂0.04 kg．

Answer 1

分析 二氧化硫能与二氧化锰反应生成硫酸锰，用MnCO₃能除去溶液中Al³⁺和Fe³⁺，MnS将铜、镍离子还原为单质，高锰酸钾能与硫酸锰反应生成二氧化锰，通过过滤获得二氧化锰，
（1）根据盖斯定律将③-②-①可得SO₂与MnO₂反应生成无水MnSO₄的瓜不，据此解题；
（2）从消耗溶液中的酸，促进Al³⁺和Fe³⁺水解生成沉淀角度分析；
（3）用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理是利用沉淀转化的书写离子方程式；
（4）根据原电池工作原理判断正极发生还原反应，然后根据总反应写出正极的电极反应式，二氧化锰得电子生成MnO（OH）；
（5）结合电荷守恒和原子守恒书写电极反应，锰离子在阳极失电子制得MnO₂；
（6）SO₂+MnO₂=MnSO₄，根据方程式结合元素守恒解题，反应的二氧化硫的物质的量为 $\frac{1.00×1000L}{22.4L/mol}$×16.09%×89.6%=6.436mol，根据SO₂+MnO₂=MnSO₄可知生成硫酸锰的物质的量为0.436mol，最终生成的二氧化锰为1.00kg，结合化学方程式计算．

解答 解：（1）①Mn（s）+O₂（g）═MnO₂（s）△H=-520kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H=-297kJ•mol^-1
③Mn（s）+S（s）+2O₂（g）═MnSO₄（s）△H=-1065kJ•mol^-1
根据盖斯定律，将③-②-①可得MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol，
故答案为：MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=-248kJ/mol；
（2）由于碳酸锰能消耗溶液中的酸，降低溶液的酸性，从而促进Al³⁺和Fe³⁺水解生成氢氧化物沉淀，反应的离子方程式为：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺，
故答案为：3MnCO₃+2Al³+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺或3MnCO₃+2Fe³⁺+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3Mn²⁺；
（3）用MnS除去Cu²⁺和Ni²⁺的原理是利用沉淀转化实现离子除杂，反应的离子方程式为：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺ 或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺，
故答案为：MnS+Cu²⁺=CuS↓+Mn²⁺ 或MnS+Ni²⁺=NiS↓+Mn²⁺；
（4）原电池中负极失去电子，正极得到电子，因此碱性锌锰电池放电时，正极是二氧化锰得到电子，则电极反应式为：MnO₂+H₂O+e^-=MnO（OH）+OH^-，
故答案为：MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-．
（5）MnO₂可作超级电容器材料．用惰性电极电解酸性MnSO₄溶液可制得MnO₂，锰离子在阳极失电子：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，
故答案为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；
（6）反应的二氧化硫的物质的量为 $\frac{1.00×1000L}{22.4L/mol}$×16.09%×89.6%=6.436mol，
根据SO₂+MnO₂=MnSO₄可知生成硫酸锰的物质的量为0.436mol，最终生成的二氧化锰为1.00kg，设消耗硫酸锰的物质的量为x．
2KMnO₄+3MnSO₄+2H₂O═5MnO₂+2H₂SO₄+K₂SO₄
         3                          87×5g
         x                         1000.0g      
x=$\frac{3×1000g}{87×5}$=6.897mol，
除去铁、铝、铜、镍等杂质时，所引入的锰元素（6.897-6.436）mol=0.461mol，
相当于MnO₂的质量0.461mol×87g/mol=40.107g=0.04kg，
故答案为：0.04．

点评 本题考查热化学方程式、原电池、电解池和化学计算等，侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，难度中等．