Question

13．常见的酸性锌锰干电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是有碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物，回收处理该废电池可以得到多种化工原料，有关数据如下表所示：溶解度/（g/100g水）

温度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

不溶物溶度积：

化合物	Zn（OH）2	Fe（OH）2	Fe（OH）3
Ksp近似值	10-17	10-17	10-39

回答下列问题：
（1）该电池的总反应式可表述为Zn+2NH₄⁺+2MnO₂═Zn²⁺+2NH3+2MnO（OH）．则对应的正极反应式应为MnO₂+e^-+NH₄⁺=MnO（OH）+NH₃，MnO（OH）中锰元素的化合价为+3价．
（2）维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，理论消耗锌0.05g．（已经F=96500C/mol）
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，若将滤液加热蒸发，首先应该析出的物质应是NH₄Cl，原因是同温下它的溶解度远小于ZnCl₂；滤渣的主要成分是MnO₂、MnO（OH）和碳粉．
（3）废电池的锌皮中有少量杂质铁、将其加入稀硫酸溶解，再加入双氧水，加碱调节pH可得到Fe（OH）₃沉淀．加入双氧水时发生反应的离子方程式为2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；铁离子开始沉淀时的溶液的pH应为（假定Fe³⁺为0.01mol•L^-1）2；若上述过程不加双氧水就加碱调节pH，直接得到的沉淀中应主要含有Zn（OH）₂和Fe（OH）₂．

Answer 1

分析 （1）该电池的正极发生还原反应，MnO₂被还原生成MnOOH；负极锌被氧化生成Zn²⁺，以此书写电池总反应式，依据以上合计代数和为0计算锰元素化合价；
（2）持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，则电量为0.5A×300s=150C，转移电子的物质的量为$\frac{150C}{96500C/mol}$，以此计算消耗锌的质量、物质的量；
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，若将滤液加热蒸发，依据溶解度比较判断析出晶体顺序，填充物含有碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物，溶解后滤液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，滤渣的主要成分是MnO₂、碳粉盒原电池反应生成的MnO（OH）等；
（4）铁加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，铁离子开始沉淀时的溶液的pH应为（假定Fe³⁺为0.01mol•L^-1），结合Ksp=10^-39计算pH，若不加入过氧化氢，亚铁离子不能被氧化为铁离子，在调节溶液PH时生成的沉淀为氢氧化铁、氢氧化亚铁、氢氧化锌沉淀．

解答 解：（1）电池的总反应式可表述为Zn+2NH₄⁺+2MnO₂═Zn²⁺+2NH₃+2MnO（OH），该电池的正极发生还原反应，MnO₂被还原生成MnOOH，电极方程式为：MnO₂+e^-+NH₄⁺=MnO（OH）+NH₃，负极锌被氧化生成Zn²⁺，MnO（OH）中氧元素化合价-2价，氢元素化合价为+1价，元素化合价代数和为0得到锰元素化合价为+3价，
故答案为：2MnO₂+Zn+2H⁺=2MnOOH+Zn²⁺，+3；
（2）持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，则电量为0.5A×300s=150C，转移电子的物质的量为$\frac{150C}{96500C/mol}$，则消耗Zn的质量为$\frac{150C}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.05g，
故答案为：0.05；
（3）滤液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，通过加热浓缩、冷却结晶得到晶体，氯化铵溶解度随温度升高变化不大，氯化锌溶解度随温度变化很大，相同温度下氯化铵溶解度小于氯化锌，则首先应该析出的物质应是NH₄Cl，填充物含有碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物，溶解后滤液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，滤渣的主要成分是MnO₂、碳粉盒原电池反应生成的MnO（OH）等，
故答案为：NH₄Cl，同温下它的溶解度远小于ZnCl₂，碳粉；
（4）铁加入稀H₂SO₄生成硫酸亚铁和氢气，酸性溶液中加入H₂O₂，亚铁离子可被氧化生成Fe³⁺，反应的离子方程式为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2 H₂O，铁离子开始沉淀时的溶液的pH应为（假定Fe³⁺为0.01mol•L^-1），因Ksp=10^-39，
则c（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp}{c（F{e}^{3+}）}}$=$\root{3}{\frac{1{0}^{-39}}{0.01}}$mol/L≈1×10^-12mol/L，此时pH=2，
由表中数据可知Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近，如不加H₂O₂，则Zn²⁺和Fe²⁺分离不开，加碱调节pH，直接得到的沉淀中应主要含有Zn（OH）₂和Fe（OH）₂，
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，2，Zn（OH）₂和Fe（OH）₂．

点评 本题考查原电池知识以及物质的分离、提纯，侧重于原电池的工作原理以及实验基本操作和注意问题，题目难度中等，有利于培养学生良好的科学素养．