Question

某种碳酸锰矿的主要成分有MnCO₃、MnO₂、FeCO₃、MgO、SiO₂、Al₂O₃等．已知碳酸锰难溶于水．一种运用阴离子膜电解法的新技术可用于从碳酸锰矿中提取金属锰，流程如图1：阴离子膜法电解装置如图2所示：
（1）写出用稀硫酸溶解碳酸锰反应的离子方程式

 

．
（2）已知不同金属离子生成氢氧化物沉淀所需的pH如表：

离子	Fe3+	Al3+	Fe2+	Mn2+	Mg2+
开始沉淀的pH	2.7	3.7	7.0	7.8	9.3
沉淀完全的pH	3.7	4.7	9.6	9.8	10.8

加氨水调节溶液的pH等于6，则滤渣的成分是

 

，滤液中含有的阳离子有H⁺和

 

．
（3）在浸出液里锰元素只以Mn²⁺的形式存在，且滤渣中也无MnO₂，请解释原因

 

．
（4）电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向，则A电极是直流电源的

 

极．实际生产中，阳极以稀硫酸为电解液，阳极的电极反应式为

 

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（5）该工艺之所以采用阴离子交换膜，是为了防止Mn²⁺进入阳极区发生副反应生成MnO₂造成资源浪费，写出该副反应的电极反应式

 

．

Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用,电解原理

专题：实验设计题

分析：将碳酸锰矿粉溶于稀硫酸中，MnCO₃、FeCO₃、MgO、Al₂O₃都和稀硫酸反应生成硫酸盐，酸性条件下，MnO₂被亚铁离子还原生成Mn²⁺，SiO₂以沉淀析出，然后向浸出液中先加双氧水、再加氨水，
并调节溶液的pH到6，根据氢氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6时Fe³⁺、Al³⁺完全转化为沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，则滤渣为Al（OH）₃、Fe（OH）₃，然后进一步精制，再利用阴离子交换膜电解，
从而得到金属Mn，
（1）碳酸锰和稀硫酸反应生成硫酸锰、二氧化碳和水；
（2）根据氢氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6时Fe³⁺、Al³⁺完全转化为沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺；
（3）酸性条件下，MnO₂被亚铁离子还原，亚铁离子被氧化生成Fe³⁺；
（4）电解时，电解溶液中阴离子向阳极移动，据此判断阴阳极，连接电解池阴极的电极是原电池负极；阳极上氢氧根离子放电生成氧气；
（5）锰离子不稳定，能被氧气氧化生成二氧化锰，据此书写电极反应式．

解答： 解：将碳酸锰矿粉溶于稀硫酸中，MnCO₃、FeCO₃、MgO、Al₂O₃都和稀硫酸反应生成硫酸盐，酸性条件下，MnO₂被亚铁离子还原生成Mn²⁺，SiO₂以沉淀析出，然后向浸出液中先加双氧水、再加氨水，
并调节溶液的pH到6，根据氢氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6时Fe³⁺、Al³⁺完全转化为沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，则滤渣为Al（OH）₃、Fe（OH）₃，然后进一步精制，再利用阴离子交换膜电解，
从而得到金属Mn，
（1）碳酸锰和稀硫酸反应生成硫酸锰、二氧化碳和水，离子方程式为MnCO₃+2H⁺=Mn²⁺+CO₂↑+H₂O，故答案为：MnCO₃+2H⁺=Mn²⁺+CO₂↑+H₂O；
（2）加入双氧水时将亚铁离子氧化为铁离子，根据氢氧化物沉淀需要的pH表知，pH=6时Fe³⁺、Al³⁺完全转化为沉淀，溶液中存在 Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，所以滤渣的成分是Al（OH）₃、Fe（OH）₃，滤液中含有的阳离子有H⁺和Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺，故答案为：Al（OH）₃、Fe（OH）₃；Mn²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺；
（3）酸性条件下，MnO₂被亚铁离子还原，亚铁离子被氧化生成Fe³⁺，所以在浸出液里锰元素只以Mn²⁺的形式存在，且滤渣中也无MnO₂，故答案为：MnO₂在酸性条件下被二价铁还原为Mn²⁺；
（4）根据阴离子移动方向知，左边电极是阴极、右边电极是阳极，则连接阴极的电极A是电源负极，阳极上氢氧根离子放电生成氧气，电极反应式为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，故答案为：负极；4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
（5）锰离子不稳定，易被氧气氧化生成二氧化锰，所以阳极反应的副反应为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，故答案为：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．

点评：本题考查混合物的分离和提纯，侧重考查学生对知识的综合运用能力，涉及电解原理、氧化还原反应，知道流程图中各个步骤发生的反应、基本操作，题目难度较大．