Question

1．关工业上以软锰矿（主要成分是MnO₂）和黄铁矿（主要成分是FeS₂）为主要原料制备高性能磁性材料碳酸锰（MnCO₃）的工艺流程如图1所示．

已知：MnCO₃难溶于水、乙醇、潮湿时易被空气氧化，100℃时开始分解，回答下列问题：
（1）净化工序的目的是除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质．若测得滤液中c（F^-）=0.01mol•L^-1，则滤液中残留的c（Ca²⁺）=1.46×10^-6mol•L^-1mol•L^-1 [已知：K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10]
（2）沉锰工序中，298K、c（Mn²⁺）=1.05mol•L^-1时，实验测得MnCO₃的产率与溶液pH、反应时间的关系如图2所示．根据图2中信息得出的结论是pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高．
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃的操作方法是过滤、先水洗2～3次，再用乙醇洗涤，低温干燥（或低于100℃干燥）．
（4）MnCO₃高温煅烧可得到软磁体Mn₃O₄，但分解生成的CO需要回收利用．到目前为止，CO吸附剂的开发大多数以铜（+1）为活性组分负载在各种载体上，然后采用变压器吸附（PSA）的方式在含N₂体系中脱出CO．图3是变压吸附回收炉气中CO的流程．
①PSA-Ⅰ吸附CO₂的时间对PSA-Ⅱ中CO回收率的影响如图4所示，由此可见，为了保证载铜吸附剂对CO的吸附和提纯要求，应采取的措施是尽量在PSA-I中将CO₂脱除（保证PSA-I吸附CO₂的时间）．
②从PSA-Ⅱ中富集得到的CO有广泛的用途，除生产甲醇外，其用途还有作燃料（任写一种）．
③检验放空气体中是否含有CO的实验操作是将该气体通入氯化钯（PdCl₂）溶液中，观察是否有黑色的单质钯生成，写出对应的化学方程式：CO+PdCl₂+H₂O═Pd↓+2HCl+CO₂．
（5）为测定某软锰矿中二氧化锰的质量分数，准确称量1.00g软锰矿样品，加入2.68g草酸钠固体，再加入足量的稀硫酸并加热（杂质不参加反应），充分反应后冷却，将所得溶液转移到250mL容量瓶中用蒸馏水稀释至刻度线，从中取出25.0mL，用0.0200mol•L^-1高锰酸钾溶液进行滴定，当滴入20.0mL溶液时恰好完全反应．
已知高锰酸钾、二氧化锰在酸性条件下均能将草酸钠（Na₂C₂O₄）氧化，反应原理如下：
2MnO₄^-+5C₂O₄^2-+16H⁺═2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O
MnO₂+C₂O₄2^-+4H⁺═Mn²⁺+2CO₂↑+2H₂O
求该软锰矿中二氧化锰的质量分数87%．

Answer 1

分析 由流程可知软锰矿（主要成分MnO₂）和黄铁矿加入硫酸酸浸过滤得到浸出液调节溶液pH，FeS₂和稀硫酸反应生成Fe²⁺，然后过滤得到滤渣是MnO₂，向滤液中加入软锰矿发生的离子反应方程式为：2Fe²⁺+15MnO₂+28H⁺=2Fe³⁺+14H₂O+15Mn²⁺+4SO₄²，过滤，滤液中主要含有Cu²⁺、Ca²⁺等杂质，加入硫化铵和氟化铵，除去Cu²⁺、Ca²⁺过滤，在滤液中加入碳酸氢铵和氨水沉锰，生成MnCO₃沉淀，过滤得到的滤渣中主要含有MnCO₃，通过洗涤、烘干得到MnCO₃晶体；
（1）由于流程第二步加入了石灰引入了Ca²⁺杂质，因此除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质可分别使用（NH₄）₂S和NH₄F，生成CuS、CaF沉淀除去，根据已知氟化钙的溶度积和c（F^-），可求c（Ca²⁺）；
（2）根据沉锰的图象可知，pH越大得到的MnCO₃的产率越高，且需要的时间越短，且在pH=7时，有更好的效果；
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃，只需将沉淀析出的MnCO₃过滤、洗涤、干燥即可得到碳酸锰；
（4）①CO吸附剂的开发大多数以铜（+1）为活性组分负载在各种载体上，然后采用变压吸附（PSA）方式在含N₂体系中脱出CO，图象方向可知时间越长CO回收率越高；
②一氧化碳是可燃性气体燃烧过程中放热；
③为了检测CO对空气的污染情况，常需用到氯化钯（PdCl₂）溶液．将CO气体通入氯化钯（PdCl₂）溶液中（水也参与反应），能产生黑色金属钯、CO₂和一种酸．请写出该反应的化学反应方程式；
（5）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol；
滴定250mL稀释后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol；
根据氧化还原反应中得失电子数相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，
n（MnO₂）=0.0100mol，再根据质量分数公式计算其质量分数．

解答 解：由流程可知软锰矿（主要成分MnO₂）和黄铁矿加入硫酸酸浸过滤得到浸出液调节溶液pH，FeS₂和稀硫酸反应生成Fe²⁺，然后过滤得到滤渣是MnO₂，向滤液中加入软锰矿发生的离子反应方程式为：2Fe²⁺+15MnO₂+28H⁺=2Fe³⁺+14H₂O+15Mn²⁺+4SO₄²，过滤，滤液中主要含有Cu²⁺、Ca²⁺等杂质，加入硫化铵和氟化铵，除去Cu²⁺、Ca²⁺过滤，在滤液中加入碳酸氢铵和氨水沉锰，生成MnCO₃沉淀，过滤得到的滤渣中主要含有MnCO₃，通过洗涤、烘干得到MnCO₃晶体；
（1）由于流程第二步加入了石灰引入了Ca²⁺杂质，因此除去溶液中的Cu²⁺、Ca²⁺等杂质可分别使用（NH₄）₂S和NH₄F，生成CuS、CaF沉淀除去，根据已知氟化钙的溶度积和c（F^-）可知：c（Ca²⁺）=$\frac{{K}_{sp}（Ca{F}_{2}）}{{c}^{2}（{F}^{-}）}$=$\frac{1.46×1{0}^{-10}}{0.0{1}^{2}}$=1.46×10^-6mol•L^-1，故答案为：1.46×10^-6mol•L^-1；
（2）从沉锰的图象可以看出，在已给的几个pH值条件下，pH越大得到的MnCO₃的产率越高，且需要的时间越短，且在pH=7时，有更好的效果，因此结论是pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高，
故答案为：pH等于7.0时反应速率最快，且MnCO₃的产率最高；
（3）从沉锰工序中得到纯净MnCO₃，只需将沉淀析出的MnCO₃过滤、先水洗2～3次，再用乙醇洗涤，低温干燥（或低于100℃干燥）即可；
故答案为：先水洗2～3次，再用乙醇洗涤，低温干燥（或低于100℃干燥）；
（4）①CO吸附剂的开发大多数以铜（+1）为活性组分负载在各种载体上，然后采用变压吸附（PSA）方式在含N₂体系中脱出CO，图象方向可知时间越长CO回收率越高，为了保证载铜吸附剂对CO的吸附和提纯要求，应采取的措施是尽量在PSA-I中将CO₂ 脱除（保证PSA-I吸附CO₂的时间），
故答案为：尽量在PSA-I中将CO₂ 脱除（保证PSA-I吸附CO₂的时间）；
②一氧化碳是可燃性气体燃烧过程中放热，可以作为燃料，
故答案为：作燃料；
③CO气体通入氯化钯（PdCl₂）溶液中（水也参与反应），能产生黑色金属钯、CO₂和一种酸，由质量守恒定律，该酸为盐酸，反应的俄化学方程式为：CO+PdCl₂+H₂O═Pd+CO₂+2HCl，
故答案为：CO+PdCl₂+H₂O═Pd↓+2HCl+CO₂；
（5）n（C₂O₄^2-）=2.68g÷134g/mol=0.02mol，滴定250mL稀释后溶液，消耗n（MnO₄^-）=0.0200mol/L×0.0200L×10=0.00400mol，根据氧化还原反应中得失电子数相等得n（MnO₂）×2+0.00400mol×5=0.0200mol×2，n（MnO₂）=0.0100mol，二氧化锰质量分数=$\frac{0.0100mol×87g/mol}{1.00g}$×100%=87%，
故答案为：87%．

点评 本题通过碳酸锰的制备，考查了物质制备实验方案的设计方法，题目难度较大，明确制备流程及相应的反应原理为解答关键，试题涉及的知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学实验能力．