Question

10．锰及其化合物在生产、生活中有许多用途
I．在实验室中模拟工业利用软锰矿（主要成分为MnO₂，含少量SiO₂、Fe₂O₃和A1₂O₃等）制备金属锰等物质，设计流程如图：

己知：碳酸锰在空气中高温加热固体产物为Mn₂O₃；部分氢氧化物的Ksp（近似值）如表．

物质	Mn（OH）2	Fe（OH）2	Fe（OH）3	Al（OH）3
Ksp	10-13	10-17	10-39	10-33

（1）“酸浸”中MnO₂反应的离子方程式为MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（2）向滤液I 中滴加双氧水的目的是将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，便于转化为Fe（OH）₃除去；测得滤液I 中c（Mn²⁺）=0.1mol•L^-1，为保证滴加氨水不产生Mn（OH）₂，应控制溶液pH最大为8．
（3）“沉锰”过程中的离子方程式为Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O．
（4）以碳酸锰和金属铝为原料可以制备粗锰，写出制备过程中最后一步反应的化学方程式Mn₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+2Mn．
Ⅱ．科学家发明了NH₃燃料电池，以KOH为电解质，原理如图所示．

（5）该燃料电池的负极反应式为2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O．
（6）以该电池为电源，用石墨电极电解锰酸钾（K₂MnO₄）溶液制取高锰酸钾，通电10分钟，电流强度为0.5A．最多可制得高锰酸钾0.49g（已知1mol电子所带电量为96500C）．

Answer 1

分析 I．软锰矿用硫酸、硫酸亚铁溶解，二氧化硅不反应，由沉锰后得到碳酸锰，可知酸性条件下二氧化锰被亚铁离子还原为Mn²⁺，过滤分离，滤液I中加入过氧化氢，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，通入氨气调节溶液pH，将Fe³⁺、Al³⁺转化为Fe（OH）₃、Al（OH）₃除去，再过滤分离，滤液Ⅱ中加入碳酸氢铵与氨水的混合物得到碳酸锰，再过滤分离．
（1）“酸浸”中MnO₂在酸性条件下被Fe²⁺还原为Mn²⁺，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺；
（2）滴加双氧水将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，便于转化为Fe（OH）₃除去；
结合Ksp[Mn（OH）₂]=c（Mn²⁺）×c²（OH^-）=10^-13计算c（OH^-），进而计算控制溶液pH；
（3）Mn²⁺与HCO₃^-、NH₃•H₂O反应生成MnCO₃、NH₄⁺与H₂O；
（4）碳酸锰分解生成Mn₂O₃，Al与Mn₂O₃发生置换反应得到Mn；
Ⅱ．（5）负极发生氧化反应，由图可知，碱性条件下氨气失去电子生成氮气与水；
（6）计算转移电子物质的量，再根据电子转移守恒计算高锰酸钾的物质的量，进而计算其质量．

解答 解：I．软锰矿用硫酸、硫酸亚铁溶解，二氧化硅不反应，由沉锰后得到碳酸锰，可知酸性条件下二氧化锰被亚铁离子还原为Mn²⁺，过滤分离，滤液I中加入过氧化氢，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，通入氨气调节溶液pH，将Fe³⁺、Al³⁺转化为Fe（OH）₃、Al（OH）₃除去，再过滤分离，滤液Ⅱ中加入碳酸氢铵与氨水的混合物得到碳酸锰，再过滤分离．
（1）“酸浸”中MnO₂在酸性条件下被Fe²⁺还原为Mn²⁺，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，反应离子方程式为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（2）滴加双氧水将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，便于转化为Fe（OH）₃除去，
滤液I 中c（Mn²⁺）=0.1mol•L^-1，结合Ksp[Mn（OH）₂]=c（Mn²⁺）×c²（OH^-）=10^-13，可知c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1{0}^{-13}}{0.1}}$mol/L=10^-6mol/L，则溶液中c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-6}}$mol/L=10^-8mol/L，此时溶液pH=-lg10^-8=8，
故答案为：将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，便于转化为Fe（OH）₃除去；8；
（3）Mn²⁺与HCO₃^-、NH₃•H₂O反应生成MnCO₃、NH₄⁺与H₂O，反应离子方程式为：Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O，
故答案为：Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O；
（4）碳酸锰分解生成Mn₂O₃，Al与Mn₂O₃发生置换反应得到Mn，制备过程中最后一步反应的化学方程式：Mn₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+2Mn，
故答案为：Mn₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+2Mn；
Ⅱ．（5）负极发生氧化反应，由图可知，碱性条件下氨气失去电子生成氮气与水，负极电极反应式为：2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O，
故答案为：2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O；
（6）转移电子物质的量为$\frac{600s×0.5A}{96500C/mol}$=$\frac{3}{965}$mol，根据电子转移守恒，生成高锰酸钾的物质的量为=$\frac{3}{965}$mol÷（7-6）=$\frac{3}{965}$mol，则生成高锰酸钾的质量为$\frac{3}{965}$mol×158g/mol≈0.49g，
故答案为：0.49．

点评 本题考查物质制备工艺流程、原电池与电解原理，属于拼合型题目，涉及陌生方程式书写、对原理的分析评价、条件控制、化学计算等知识点，是对学生综合能力的考查，注意电化学计算中电子转移守恒的运用．