Question

15．高温焙烧含硫废渣会产生SO₂废气，为了回收利用SO₂，研究人员研制了利用低品位软锰矿浆（主要成分是MnO₂）吸收SO₂，并制备硫酸锰晶体的生产流程，其流程示意图如下：

已知，浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺等其他金属离子．有关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH见表：

离子	开始沉淀时的pH	完全沉淀时的pH
Fe2+	7.6	9.7
Fe3+	2.7	3.7
Al3+	3.8	4.7
Mn2+	8.3	9.8

请回答下列问题：
（1）高温焙烧：在实验室宜选择的主要仪器是坩埚．
（2）写出氧化过程中主要反应的离子方程式：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O．
（3）在氧化后的液体中加入石灰浆，并调节溶液pH，pH应调节的范围是4.7≤pH＜8.3．
（4）滤渣的主要成分有硫酸钙、氢氧化铁、氢氧化铝．
（5）工业生产中为了确定需要向浸出液中加入多少MnO₂粉，可准确量取10.00mL浸出液用0.02mol/L酸性KMnO₄溶液滴定，判断滴定终点的方法是当滴入最后一滴酸性KMnO₄溶液，溶液变紫红色，且半分钟内不褪色．若达滴定终点共消耗10.00mL酸性KMnO₄溶液，请计算浸出液中Fe²⁺浓度是0.1mol/L．

Answer 1

分析 高温焙烧含硫废渣产生的SO₂废气，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，通入SO₂浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，浸出液还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺等其他金属离子，Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，在氧化后的液体中加入石灰浆，杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺等阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe²⁺的沉淀与Mn²⁺离子的沉淀所需的pH接近，而Fe³⁺则相差很远，故可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺而除杂．调节pH值在4.7～8.3间，Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙，过滤，滤渣主要有氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钙，由于制取的MnSO₄•H₂O含有结晶水，故操作a采用蒸发浓缩结晶的方法，得到MnSO₄•H₂O．
（1）加热固体，应在坩埚中进行；
（2）杂质离子中只有Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺；
（3）从表可以看出，只要调节pH值在4.7～8.3间，大于4.7可以将Fe³⁺和Al³⁺除去，小于8.3是防止Mn²⁺也沉淀；
（4）Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙；
（5）高锰酸钾有颜色，滴定终点时溶液变为紫红色，结合电子转移的数目计算；

解答 解：高温焙烧含硫废渣产生的SO₂废气，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，通入SO₂浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，浸出液还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺等其他金属离子，Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，在氧化后的液体中加入石灰浆，杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺等阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe²⁺的沉淀与Mn²⁺离子的沉淀所需的pH接近，而Fe³⁺则相差很远，故可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺而除杂．调节pH值在4.7～8.3间，Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙，过滤，滤渣主要有氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钙，由于制取的MnSO₄•H₂O含有结晶水，故操作a采用蒸发浓缩结晶的方法，得到MnSO₄•H₂O．
（1）加热固体，应在坩埚中进行，故答案为：坩埚；
（2）杂质离子中只有Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，反应的离子方程式为2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O，
故答案为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O；
（3）杂质中含有Fe³⁺、Al³⁺阳离子，从图可表以看出，大于4.7可以将Fe³⁺和Al³⁺除去，小于8.3是防止Mn²⁺也沉淀，所以只要调节pH值在4.7～8.3间即可，
故答案为：4.7≤pH＜8.3；
（4）Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙，所以滤渣主要有氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钙，
故答案为：氢氧化铁、氢氧化铝；
（5）高锰酸钾有颜色，滴定终点时溶液变为紫红色，判断方法为当滴入最后一滴酸性KMnO₄溶液，溶液变紫红色，且半分钟内不褪色，若达滴定终点共消耗l0.00mL酸性KMnO₄溶液，则n（KMnO₄）=0.01L×0.02mol/L=2×10^-4mol，得电子的物质的量为2×10^-4mol×（7-2）=10^-3mol，反应中Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，则
n（Fe²⁺）=10^-3mol，c（Fe²⁺）=$\frac{1{0}^{-3}mol}{0.01L}$=0.1 mol/L，
故答案为：当滴入最后一滴酸性KMnO₄溶液，溶液变紫红色，且半分钟内不褪色；0.1 mol/L．

点评 本题以制备硫酸锰的生产流程为知识载体，综合考查学生的分析能力、实验能力和计算能力，为高频考点，涉及考查化学反应的书写，及除杂中的问题，题目难度中等，本题注意把握数据处理能力和图象分析能力．