Question

20．二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料．工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备高纯二氧化锰的流程如图：

某软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH见下表，回答下列问题：

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）FeSO₄在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）pH要调到5.4，应该使用pH计或精密pH试纸（填写仪器或试剂名称）．滤渣A的主要成分是Fe（OH）₃和Al（OH）₃．
（3）加入MnS的目的是除去Cu²⁺、Zn²⁺杂质．
（4）碱性锌锰电池中，MnO₂参与的电极反应方程式为MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-．
（5）从废旧碱性锌锰电池中可以回收利用的物质有锌、二氧化锰（写两种）．
（6）已知25℃时，K_sp[Fe（OH）₃]=2.79×10^-39，该温度下反应Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O的平衡常数K=2.79×10³．

Answer 1

分析 软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，所以酸浸后的滤液中的金属阳离子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由离子开始沉淀及沉淀完全的pH可知，调节pH为5.4，将Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化锰将Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，滤液为硫酸锰溶液，再通过系列变化得到高纯度的二氧化锰，
（1）根据FeSO₄在反应条件下将MnO₂还原为MnSO₄，则Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，故酸浸时生成硫酸锰、硫酸铁，根据元素守恒还有水生成；
（2）调节溶液的pH值要用到pH计或精密pH试纸进行测量，由题目信息可知，酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH进行判断；
（3）根据工艺流程及硫化物的K_sp判断；
（4）由碱性锌锰干电池的电池反应式可知，Zn作负极，MnO₂得电子作正极，生成MnOOH，由电荷守恒可知还生成OH^-，由元素守恒可知，还有水参与反应；
（5）从碱性锌锰干电池的原料判断；
（6）根据K=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{K{\;}_{sp[Fe（OH）{\;}_{3}]}}{{K}_{w}}$计算；

解答 解：（1）根据FeSO₄在反应条件下将MnO₂还原为MnSO₄，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，故酸浸时生成硫酸锰、硫酸铁，根据元素守恒还有水生成，反应方程式为2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案为：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）调节溶液的pH值要用到pH计或精密pH试纸进行测量，酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水调pH至5.4，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，其它离子不沉淀，故滤渣A的主要成分为
Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案为：pH计或精密pH试纸；Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）根据题中硫化物的K_sp可知，加入MnS是为了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，
故答案为：Cu²⁺、Zn²⁺；
（4）碱性锌锰干电池中Zn作负极，则MnO₂作正极得电子，其电极反应式应为MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-，
故答案为：MnO₂+H₂O+e^-=MnOOH+OH^-；
（5）从碱性锌锰干电池的原料可知，其废旧电池可回收利用的物质为锌和MnO₂，
故答案为：锌、二氧化锰；
（6）由离子方程式可知，K=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（Fe{\;}^{3+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{K{\;}_{sp[Fe（OH）{\;}_{3}]}}{{K}_{w}}$=$\frac{2.79×10{\;}^{-39}}{（1×1{0}^{-14}）^{3}}$=2.79×10³，
故答案为：2.79×10³．

点评 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，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．