Question

4．高炉炼铁的烟尘中主要含有锌、铁、铜等金属元素．从烟尘中提取硫酸锌，可以变废为宝，减少其对环境的危害．图是用高炉烟尘制取硫酸锌的工业流程．

已知：
①20℃时，0.1mol•L^-1的金属离子沉淀时的pH

pH	Fe3+	Zn2+	Mn2+	Cu2+
开始沉淀	1.9	6.0	8.1	4.7
沉淀完全	3.7	8.0	10.1	6.7
沉淀溶解	不溶解	10.5	不溶解	/

②过二硫酸铵是一种强氧化剂．
③ZnSO₄+4NH₃=[Zn（NH₃）₄]SO₄，[Zn（NH₃）₄]SO₄易溶于水．
回答下列问题：
（1）为提高烟尘中金属离子的浸出率，除了适度增加硫酸浓度外，还可以采取什么措施？（举出1种）升高温度．
（2）上述流程测得溶液pH=5.0，此处可以选择的测量仪器是pH计．
（3）加入MnO₂的目的是将Fe²⁺氧化成Fe³⁺．
（4）写出还原过程发生的主要反应的离子方程式Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu．
（5）写出过二硫酸铵把硫酸锰（MnSO₄）氧化的化学方程式MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄．
（6）操作甲中为使锌离子完全沉淀，添加的最佳试剂是C
A、锌粉    B、氨水   C、（NH₄）₂CO₃   D、NaOH
（7）若pH=5.0时，溶液中的Cu²⁺尚未开始沉淀，求溶液中允许的Cu²⁺浓度的最大值10^-1.6mol/L．

Answer 1

分析 高炉炼铁的烟尘中主要含有锌、铁、铜等金属元素，用硫酸酸浸，过滤得到滤液中含有锌离子、亚铁离子、铜离子等，用二氧化锰氧化亚铁离子生成铁离子，再加氨水调节pH值使铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤除去，用过二硫酸铵除去锰离子，再加入足量的锌除去铜离子，得到硫酸铵、硫酸锌的混合溶液，在溶液中加足量的（ NH₄）₂CO₃ 使锌离子完全沉淀，过滤分离后用硫酸溶解得到硫酸锌．
（1）提高浸出率可从浓度、温度、搅拌等影响化学反应速率的角度分析；
（2）测量溶液pH可以用pH计；
（3）加入MnO₂可以将亚铁离子氧化成铁离子；
（4）还原过程中锌置换出铜；
（5）过二硫酸铵和硫酸锰反应生成二氧化锰、硫酸铵、硫酸，根据电子得失守恒和原子守恒配平书写；
（6）使锌离子完全沉淀，要调节溶液的pH值且要不引入新的杂质；
（7）根据0.1mol．L^-1Cu²⁺开始沉淀时pH=4.7，可计算出Ksp[Cu（OH）₂]，根据Ksp可计算出pH=5.0时，溶液中的Cu²⁺浓度的最大值．

解答 解：高炉炼铁的烟尘中主要含有锌、铁、铜等金属元素，用硫酸酸浸，过滤得到滤液中含有锌离子、亚铁离子、铜离子等，用二氧化锰氧化亚铁离子生成铁离子，再加氨水调节pH值使铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤除去，用过二硫酸铵除去锰离子，再加入足量的锌除去铜离子，得到硫酸铵、硫酸锌的混合溶液，在溶液中加足量的（ NH₄）₂CO₃ 使锌离子完全沉淀，过滤分离后用硫酸溶解得到硫酸锌．
（1）升高温度、搅拦、增加浸出时间等可以提高烟尘中金属离子的浸出率，故答案为：升高温度；
（2）测量溶液pH可以用pH计，故答案为：pH计；
（3）加入MnO₂可以将亚铁离子氧化成铁离子，通过调节溶液pH使铁离子转化为氢氧化铁沉淀除去，
故答案为：将Fe²⁺氧化成Fe³⁺；
（4）还原过程中锌置换出铜，反应的离子方程式为：Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu，
故答案为：Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu；
（5）过二硫酸铵和硫酸锰反应生成二氧化锰、硫酸铵、硫酸，反应的化学方程式为MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄，
故答案为：MnSO₄+（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=MnO₂+（NH₄）₂SO₄+2H₂SO₄；
（6）由于在前面的步骤中已经加过锌，所以锌不能使锌离子完全沉淀，氨水与锌离子形成配合离子溶于水，氢氧化钠会引入新杂质，所以要使锌离子完全沉淀，只能用碳酸铵，故选C；
（7）根据0.1mol．L^-1Cu²⁺开始沉淀时pH=4.7，可知Ksp[Cu（OH）₂]=0.1×（10^-9.3）²=10^-19.6，根据Ksp可知pH=5.0时，所以溶液中的Cu²⁺浓度的最大值为$\frac{1{0}^{-19.6}}{（1{0}^{-9}）^{2}}$mol/L=10^-1.6mol/L，
故答案为：10^-1.6mol/L．

点评 本题是物质制备工艺流程题目，关键是对工艺流程的理解，涉及物质的分离提纯、对原理与操作的分析评价、溶度积有关计算等，是对学生综合能力的考查，为高考常见题型，难度中等．