Question

14．工业上通过电解MnSO₄和ZnSO₄制取Zn和MnO₂，原料为软锰矿和闪锌矿，软锰矿中含MnO₂约a%，SiO₂约20%，Al₂O₃约4%，其余为水分，闪锌矿中含ZnS约80%，FeS、CuS、SiO₂共约7%，其余为水分．
I．（1）为了测量软锰矿中MnO₂含量的测定，现将14.5g软锰矿溶于足量的稀硫酸中，加入足量的碘化钾晶体，充分反应后，过滤，将滤液加水稀释至1L，取25.00ml该溶液于锥形瓶中，滴入几滴淀粉溶液作指示剂，用0.1000mol•L^-1的标准Na₂S₂O₃溶液滴定，消耗标准液50.00ml，则软锰矿中MnO₂含量60%．（已知：2KI+2H₂SO₄+MnO₂=I₂+2H₂O+MnSO₄+K₂SO₄；   I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-）
Ⅱ．研人员开发了综合利用这两种资源的同槽酸浸工艺，工艺流程如图1所示．

请回答下列问题：
（2）反应I的滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂（SO₄）₃、Al₂（SO₄）₃等．试完成反应I中生成CuSO₄和MnSO₄的化学方程MnO₂+CuS+2H₂SO₄=S+2H₂O+CuSO₄+MnSO₄．
（3）反应Ⅱ加入适量锌的作用是将溶液中的硫酸铜转化为铜；如果锌过量，还会进一步发生反应的离子方程式为Zn+Fe²⁺=Fe+Zn²⁺或Zn+Mn²⁺=Mn+Zn²⁺．
（4）图2是Na₂SO₄和Na₂SO₄•10H₂O的溶解度曲线（g/100g水），则Ⅳ中得到Na₂SO₄固体的操作是：将分离出MnCO₃和ZnCO₃后的滤液升温结晶→趁热过滤→用乙醇洗涤→干燥．用乙醇洗涤而不用水洗的原因是防止Na₂SO₄固体因溶解而减少，防止Na₂SO₄固体转变为Na₂SO₄•10H₂O晶体．

（5）用惰性电极电解MnSO₄和ZnSO₄制得Zn和MnO₂的总反应是：MnSO₄+ZnSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn+MnO₂+2H₂SO₄．
（6）本工艺可以循环利用的物质除MnO₂、MnCO₃、ZnCO₃以外，还有Zn（写化学式）．

Answer 1

分析 （1）2KI+2H₂SO₄+MnO₂=I₂+2H₂O+MnSO₄+K₂SO₄；I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-，MnO₂～I₂～2S₂O₃^2-，依据离子方程式定量关系计算，注意溶液体积的变化；
（2）生成CuSO₄和MnSO₄的化学方程式是MnO₂，CuS在酸性溶液中发生的氧化还原反应，氧化剂为MnO₂，被还原为硫酸锰，还原剂为CuS，被氧化为硫单质同时生成硫酸铜，依据电子守恒和原子守恒写出化学方程式判断；
（3）流程图分析，锌的主要作用是加入适量和铁离子反应生成亚铁离子，把铜离子转化为铜除去；锌过量会和亚铁离子反应生成铁单质；
（4）依据图象的溶解度随温度变化分析判断，得到硫酸钠的适宜条件，注意溶解度的影响；
（5）流程图中得到产物为二氧化锰和锌分析，得到锌是锌离子在阴极得到电子析出；二氧化锰是在阳极失电子生成，据此书写化学方程式；
（6）可以循环利用的物质是反应过程中重复使用，最后又生成可以进行循环使用．

解答 解：（1）2KI+2H₂SO₄+MnO₂=I₂+2H₂O+MnSO₄+K₂SO₄；I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-，
  MnO₂～I₂～2S₂O₃^2-，
   1         2
  n      0.1000mol•L^-1×0.050L
n=0.0025mol
1L溶液中含MnO₂物质的量=0.0025mol×$\frac{1000}{25}$=0.1mol，
则软锰矿中MnO₂含量=$\frac{0.1mol×87g/mol}{14.5g}$×100%=60%，
故答案为：60%；
（2）依据流程图分析判断，反应Ⅰ的滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂（SO₄）₃、Al₂（SO₄）₃等，软锰矿和闪锌矿中的MnO₂，CuS在酸性溶液中发生的氧化还原反应生成生成CuSO₄和MnSO₄硫单质，反应的化学方程式为：MnO₂+CuS+2H₂SO₄=S↓+CuSO₄+MnSO₄+2H₂O，
故答案为：2H₂SO₄；S；2H₂O；
（3）流程分析，反应Ⅰ的滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂（SO₄）₃、Al₂（SO₄）₃等，加入锌反应生成铜，锌的主要作用是加入适量和铁离子反应生成亚铁离子，把铜离子转化为铜除去；锌过量会继续反应置换出铁；反应的离子方程式为：Zn+Fe²⁺=Fe+Zn²⁺或Zn+Mn²⁺=Mn+Zn²⁺，
故答案为：将溶液中的硫酸铜转化为铜；Zn+Fe²⁺=Fe+Zn²⁺或Zn+Mn²⁺=Mn+Zn²⁺；
（4）图象分析可知温度高时析出硫酸钠，温度低时析出硫酸钠结晶水合物晶体，所以需要趁热过滤；洗涤晶体时用乙醇洗涤避免形成结晶水合物，
故答案为：趁热过滤，防止Na₂SO₄固体因溶解而减少，防止Na₂SO₄固体转变为Na₂SO₄•10H₂O晶体；
（5）流程图中得到产物为二氧化锰和锌分析，得到锌是锌离子在阴极得到电子析出，电极反应为：Zn²⁺+2e-=Zn；二氧化锰是在阳极锰离子失电子生成，电极反应为：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，反应的化学方程式为：MnSO₄+ZnSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn+MnO₂+2H₂SO₄，
故答案为：MnSO₄+ZnSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Zn+MnO₂+2H₂SO₄；
（6）依据流程图可知能循环使用的物质为Zn、ZnCO₃、MnCO₃和MnO₂，
故答案为：Zn．

点评 本题考查了物质制备实验的分析判断，物质溶解性的理解应用，电解原理的应用判断，电极反应的产物判断和电极反应书写，题目难度较大．