Question

1．研究人员研制利用低品位软锰矿浆（主要成分是MnO₂）吸收硫酸厂的尾气SO₂，制备硫酸锰的生产流程如图1：

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⁺、Ca²⁺、Pb²⁺等其他金属离子．PbO₂的氧化性大于MnO₂．
有关金属离子的半径、形成氢氧化物沉淀时的pH见下表，阳离子吸附剂吸附金属离子的效果见图2．

离子	离子半径（pm）	开始沉淀 时的pH	完全沉淀 时的pH
Fe2+	74	7.6	9.7
Fe3+	64	2.7	3.7
Al3+	50	3.8	4.7
Mn2+	80	8.3	9.8
Pb2+	121	8.0	8.8
Ca2+	99	-	-

请回答下列问题：
（1）写出浸出过程中生成Mn²⁺反应的化学方程式SO₂+MnO₂=MnSO₄．
（2）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，用于调节pH值，此处调节pH值用到的仪器是pH计，应调节至4.7≤pH＜8.3范围．
（4）阳离子吸附剂可用于除去杂质金属离子．请依据图、表信息回答，决定阳离子吸附剂吸附效果的因素有吸附时间、金属离子半径、金属离子电荷等；吸附步骤除去的主要离子为：Pb²⁺、Ca²⁺．
（5）CaSO₄是一种微溶物质，已知Ksp（CaSO₄）=9.10×10^-7．现将c mol•L^-1 CaCl₂溶液与2.00×10^-2mol•L^-1 Na₂SO₄溶液等体积混合（忽略体积的变化），则生成沉淀时，c的最小值是1.82×10^-5．．

Answer 1

分析 低品位软锰矿浆软锰矿浆（主要成分是MnO₂）吸收硫酸厂的尾气SO₂，MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，浸出液的金属离子主要是Mn²⁺，还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺等其他金属离子，向浸出液加入MnO₂粉，Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，在氧化后的液体中杂质含有Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺四种阳离子，加入石灰浆调节pH除杂，由表可知只要调节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，从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高，通过阳离子吸附剂除去Ca²⁺、Pb²⁺，过滤，对滤液蒸发浓缩得到MnSO₄•H₂O，
要使沉淀生成，则Qc≥Ksp，据此分析解答．

解答 解：（1）低品位软锰矿浆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，反应的化学方程式为SO₂+MnO₂=MnSO₄；
故答案为：SO₂+MnO₂=MnSO₄；
（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）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，由pH计调节pH值；
故答案为：pH计；4.7≤pH＜8.3；
（4）图中离子从上至下，金属离子半径有减小趋势，对应的吸附率减小，随着时间的递增，所有离子的吸附率均增大，Fe³⁺和Al³⁺离子所带电荷数大，其吸附率低；杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺四种阳离子，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．从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高；
故答案为：吸附时间、金属离子半径、金属离子电荷；Pb²⁺、Ca²⁺；
（5）已知Ksp（CaSO₄）=9.10×10^-7，现将c mol•L^-1 CaCl₂溶液与2.00×10^-2mol•L^-1 Na₂SO₄溶液等体积混合（忽略体积的变化），溶液中c（Ca²⁺）=$\frac{c}{2}$mol/L，c（SO₄^2-）=1.00×10^-2mol/L，要生成沉淀时，则Qc≥Ksp，故$\frac{c}{2}$•1.00×10^-2≥9.10×10^-7，解得c≥1.82×10 ^-5；
故答案为：1.82×10 ^-5．

点评 本题考查了物质的制备，涉及对工艺流程的理解、氧化还原反应、对条件的控制选择与理解、溶度积的计算等，理解工艺流程原理是解题的关键，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，题目难度中等．