Question

8．中国的锰矿石和锌矿石产地在云南、广东、青海等．软锰矿是一种常见的锰矿石，其主要成分是MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂．闪锌矿主要成分是ZnS，含少量FeS、CuS、CdS等杂质，晶体属于六方晶系．现以软锰矿和闪锌矿为原料制备MnO₂和Zn，其简化流程如图．

已知：Ⅰ．矿石中所有金属元素在滤液A中均以离子形式存在．
Ⅱ．各种金属离子完全沉淀的pH如表：

	Zn2+	Mn2+	Fe2+	Fe3+	Al3+
pH	8.0	10.1	9.0	3.2	4.7

回答下列问题：
（1）步骤①中MnO₂、CuS与硫酸共热时有淡黄色物质析出，请写出该反应的化学方程式CuS+MnO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+MnSO₄+S+2H₂O．
（2）步骤②加入适量金属锌是为了回收金属，回收金属的主要成分是Cu、Cd．
（3）步骤③中MnO₂的作用是将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，另外一种物质X可以是AD．
A．ZnO           B．MgO         C．Cu₂（OH）₂CO₃          D．MnCO₃
（4）锂离子电池的正极材料有多种，其中MnO₂与Li构成LiMnO₂是一种常见的正极材料．电池反应方程式为：Li_1-xMnO₂+Li_xC₆═LiMnO₂+6C，写出该锂离子电池的正极电极反应式Li_1-xMnO₂+xLi⁺+xe^-=LiMnO₂．
（5）已知：HCN的电离常数K=4.9×10^-10，H₂S的电离常数K₁=1.3×10^-7，K₂=7.0×10^-15，向NaCN溶液中通入少量的H₂S气体，反应的离子方程式为CN^-+H₂S=HCN+HS^-．
在废水处理领域中常用H₂S将Mn²⁺转化为MnS除去，向含有0.020mol•L^-1Mn²⁺废水中通入一定量的H₂S气体，调节溶液的pH=a，当HS^-浓度为1.0×10^-4 mol•L^-1时，Mn²⁺开始沉淀，则a=5．[已知：K_sp（MnS）=1.4×10^-15]．

Answer 1

分析 由流程可知，软锰矿的主要成分为MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂．闪锌矿主要成分为ZnS，含少量FeS、CuS、CdS杂质．酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，浸取渣为SiO₂，加入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，结合表格数据可知，亚铁离子完全沉淀时溶液的pH=9，会使铝离子反应生成偏铝酸根离子，无法生成沉淀，锰离子与氢氧根离子反应生成氢氧化锰沉淀；铝离子完全沉淀时溶液的pH=4.7，铁离子完全沉淀时溶液pH=3.2，所以调节溶液的最小pH为4.7；结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH可知，Fe³⁺、Al³⁺完全转化为Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，过滤得到的滤液中含硫酸锰、硫酸锌，电解生成二氧化锰、锌、硫酸，
（1）步骤①中MnO₂、CuS与硫酸共热时有淡黄色物质析出生成S；
（2）步骤②为Al³⁺、Mn ²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Cd ²⁺的酸性溶液，加入金属锌可以还原比锌活泼性差的金属离子为金属单质；
（3）步骤③与MnO₂氧化亚铁离子为Fe³⁺，物质X调节pH4.7～8.0，使铁离子和铝离子沉淀，不能引入杂质且和酸反应；
（4）电池反应方程式为：Li_1-xMnO₂+Li_xC₆=LiMnO₂+6C，据此写出该锂离子电池的正极电极反应式，正极得到电子发生还原反应；
（5）已知：25℃时，HCN的电离常数K=4.9×10^-10，H₂S的电离常数K₁=1.3×10^-7，K₂=7.0×10^-15，则酸性H₂S＞HCN＞HS^-，根据强酸制备弱酸，向NaCN溶液中通入少量的H₂S气体，则NaCN+H₂S=HCN+NaHS；当Qc=K_sp（MnS）时开始沉淀，由此求出硫离子的浓度，结合此时的pH，以及Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）进行计算．

解答 解：由流程可知，软锰矿的主要成分为MnO₂，含少量Al₂O₃和SiO₂．闪锌矿主要成分为ZnS，含少量FeS、CuS、CdS杂质．酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，浸取渣为SiO₂，加入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，结合表格数据可知，亚铁离子完全沉淀时溶液的pH=9，会使铝离子反应生成偏铝酸根离子，无法生成沉淀，锰离子与氢氧根离子反应生成氢氧化锰沉淀；铝离子完全沉淀时溶液的pH=4.7，铁离子完全沉淀时溶液pH=3.2，所以调节溶液的最小pH为4.7；结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH可知，Fe³⁺、Al³⁺完全转化为Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，过滤得到的滤液中含硫酸锰、硫酸锌，电解生成二氧化锰、锌、硫酸，
（1）步骤①中MnO₂、CuS与硫酸共热时有淡黄色物质析出生成S，反应的化学方程式：CuS+MnO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+MnSO₄+S+2H₂O，
故答案为：CuS+MnO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+MnSO₄+S+2H₂O；
（2）步骤②为Al³⁺、Mn ²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Cd ²⁺的酸性溶液，加入金属锌得到的溶液含有Mn ²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺，则锌粉将Cu²⁺、Cd ²⁺还原为Cu、Cd；
故答案为：Cu、Cd；
（3）步骤③与MnO₂氧化亚铁离子的反应，离子方程式MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=2Fe³⁺+Mn ²⁺+2H₂O，③中MnO₂的其作用是将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，物质X调节pH4.7～8.0，使铁离子和铝离子沉淀，过滤得滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄，则X为MnCO₃ 或Zn（OH）₂；
故答案为：将Fe²⁺氧化为Fe³⁺；AD；
（4）电池反应方程式为：Li_1-xMnO₂+Li_xC₆=LiMnO₂+6C，正极得到电子发生还原反应，电极反应为：Li_1-xMnO₂+xLi⁺+xe^-=LiMnO₂，
故答案为：Li_1-xMnO₂+xLi⁺+xe^-=LiMnO₂；
（5）已知：25℃时，HCN的电离常数K=4.9×10^-10，H₂S的电离常数K₁=1.3×10^-7，K₂=7.0×10^-15，则酸性H₂S＞HCN＞HS^-，根据强酸制备弱酸，向NaCN溶液中通入少量的H₂S气体，则NaCN+H₂S=HCN+NaHS，反应的离子方程式为：CN^-+H₂S=HCN+HS^-，
当Qc=K_sp（MnS）时开始沉淀，调节溶液的pH=a，H₂S电离常数：K₂=7.0×10^-15，HS^-浓度为1.0×10^-4mol•L^-1时，则K₂=$\frac{c（{S}^{2-}）c（{H}^{+}）}{c（H{S}^{-}）}$，则7.0×10^-15=$\frac{c（{S}^{2-}）×1．{0}^{-a}}{1.0×1{0}^{-4}}$，则c（S^2-）=7×10^a-19mol•L^-1，
所以Ksp=c（Mn²⁺）•c（S^2-）=7×10^a-19mol•L^-1×0.020mol•L^-1=1.4×10^-15，解得a=5，
故答案为：CN^-+H₂S=HCN+HS^-；5．

点评 本题考查学生对元素及其化合物的主要性质的掌握、书写电极反应方程式、阅读题目获取新信息能力、对工艺流程的理解等，题目难度中等，需要学生具备扎实的基础与综合运用知识、信息分析解决问题能力．