Question

11．MnO₂和锌是制造干电池的主要原料．电解法生产MnO₂传统的工艺主要流程为：软锰矿加煤还原焙烧；用硫酸浸出焙烧料；浸出液（主要含Mn²⁺）经净化后再进行电解，MnO₂在电解池的阳极析出．90年代后期发明了生产MnO₂和锌的新工艺，主要是采用软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂杂质）和闪锌矿（主要成分为ZnS，含少量FeS、CuS、CdS杂质）为主要原料，经过除杂后，得到含Zn²⁺、Mn²⁺离子的溶液，再通过电解同时获得MnO₂和锌．简化流程框图如图（中间产物的固体部分已经略去）：

已知各种金属离子完全沉淀的pH如表：

	Zn2+	Mn2+	Fe2+	Fe3+	Al3+
pH	8.0	10.1	9.0	3.2	4.7

回答下列问题：
（1）步骤①中，软锰矿、闪锌矿粉与硫酸溶液共热时析出硫的反应为氧化还原反应，例如：MnO₂+ZnS+2H₂SO₄=MnSO₄+ZnSO₄+S↓+2H₂O，请写出MnO₂在酸性溶液中分别和CuS和FeS发生反应的化学方程式：MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+2FeS+6H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3MnSO₄+2S↓+6H₂O．
（2）步骤②加入金属锌是为了回收金属，回收金属的主要成份为Cu、Cd（用化学符号表示）
（3）步骤③物质C由多种物质组成，其中含有两种固体，其中一种为MnO₂，其作用是将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，另外一种固体物质可为Zn（OH）₂．
（4）步骤④中电解过程中MnO₂在阳极析出，该电极上发生的反应方程式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．产品D的化学式为H₂SO₄，该物质对整个生产的意义是溶解软锰矿、闪锌矿，可以循环利用．

Answer 1

分析 （1）MnO₂在酸性溶液中分别和CuS和FeS发生氧化还原反应，Mn元素的化合价降低，S元素的化合价升高，且Fe元素化合价升高；
（2）滤液A中含金属离子，加Zn发生置换反应；
（3）由转化可知，铁离子、铝离子转化为沉淀；
（4）步骤④中电解过程中MnO₂应在阳极生成，因Mn元素失去电子，阴极上Zn得到电子，得到的硫酸可循环使用．

解答 解：（1）MnO₂在酸性溶液中分别和CuS和FeS发生氧化还原反应，Mn元素的化合价降低，S元素的化合价升高，且Fe元素化合价升高，由电子、原子守恒可知，反应分别为MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O、MnO₂+2FeS+6H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3MnSO₄+2S↓+6H₂O，
故答案为：MnO₂+CuS+2H₂SO₄=MnSO₄+CuSO₄+S↓+2H₂O；MnO₂+2FeS+6H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3MnSO₄+2S↓+6H₂O；
（2）步骤②加入金属锌发生如下反应：Zn+CuSO₄═ZnSO₄+Cu，Zn+CdSO₄═ZnSO₄+Cd，Zn+2Fe³⁺═Zn²⁺+2Fe²⁺，过滤得滤液B，其中的成分有MnSO₄、Al₂（SO₄）₃、ZnSO₄、FeSO₄，滤渣乙中有Cu、Cd，加以回收，
故答案为：Cu、Cd；
（3）由转化可知，铁离子、铝离子转化为沉淀，其中一种为MnO₂，其作用是将Fe²⁺氧化为Fe³⁺；另外一种固体物质可为Zn（OH）₂（Mn（OH）₂、ZnCO₃、MnCO₃等）促进铁离子水解转化为沉淀，
故答案为：将Fe²⁺氧化为Fe³⁺；Zn（OH）₂；
（4）因Mn元素失去电子，可知步骤④中电解过程中MnO₂在阳极析出，该电极上发生的反应方程式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，硫酸根离子不变，且生成氢离子，可知产品D的化学式为H₂SO₄，该物质对整个生产的意义是用于溶解软锰矿和闪锌矿，循环使用，
故答案为：阳；Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；H₂SO₄；用于溶解软锰矿和闪锌矿，循环使用．

点评 本题考查混合物分离提纯的综合应用及物质制备实验，为高频考点，题目难度中等，明确简化流程中的反应原理、混合物分离方法为解答的关键，试题侧重分析与应用能力的考查．