Question

11．三氧化二锰（Mn₂O₃）在现代工业上应用广泛．以软锰矿（主要成分为MnO₂）和硫锰矿（主要成分为MnS）为原料制备高纯度硫酸锰进而制备三氧化二锰的工艺流程如下（两种矿物中均不存在单质杂质）：

（1）滤渣1中存在一种非金属单质，则“酸浸”时反应①的离子反应方程式为MnO₂+4H⁺+MnS═S+2Mn²⁺+2H₂O．
（2）操作X为蒸发浓缩、过滤、洗涤干燥．在洗涤操作中，常用酒精洗涤MnSO₄•H₂O晶体，主要目的是冷却结晶，减少MnSO₄•H₂O晶体的溶解，乙醇易挥发便于除杂．
（3）气体Y直接排放会污染空气，将Y的水溶液与软锰矿反应可得硫酸锰，反应②的化学方程式为MnO₂+SO₂═MnSO₄．
（4）用0.2000mol/L的标准BaCl₂溶液测定流程图中MnSO₄•H₂O晶体样品的纯度（杂质不与BaCl₂反应），取样品ag，若消耗标准溶液50.00ml，则样品中MnSO₄•H₂O的纯度为$\frac{169}{a}%$．
（5）己知Mn₂O₃在空气中加热到940℃以上时，会分解生成氧气和另一种锰的氧化物，若47.4g Mn₂O₃按上述反应分解生成1.6g氧气，则另一种锰的氧化物的化学式为Mn₃O₄（或MnO₂•2MnO）．

Answer 1

分析 软锰矿和硫锰矿在稀硫酸中酸浸，发生反应①，得到滤渣，含有S，过滤得到滤液中含硫酸锰和稀硫酸，经过操作X得到硫酸锰晶体，可知操作X使硫酸锰溶液冷却结晶出了硫酸锰晶体，晶体经过煅烧得到三氧化二锰，产生气体Y，为SO₂，气体Y和软锰矿在水中反应得到硫酸锰溶液，并入主流程中，有效避免了SO₂气体污染大气，据此分析；
（1）MnO₂是两性化合物，在酸性条件之下是一种氧化剂，根据流程图分析，MnO₂和MnS在稀硫酸中反应生成一种非金属单质，即滤渣1，同时产生MnSO₄，是一个氧化还原反应，据此写出反应的离子方程式；
（2）根据流程图，MnSO₄溶液经过操作X变成MnSO₄•H₂O晶体，操作X为蒸发浓缩、过滤、洗涤干燥，用乙醇洗涤MnSO₄•H₂O晶体，则是为了冷却结晶，降低晶体的溶解，同时考虑到乙醇易挥发，很容易除去；
（3）煅烧硫酸锰晶体，产生一种污染空气气体Y，根据元素守恒判断，为SO₂，SO₂和软锰矿在水中反应生成硫酸锰溶液，据此写出反应②的化学方程式；
（4）用0.2000mol/L的标准BaCl₂溶液测定流程图中MnSO₄•H₂O晶体样品的纯度（杂质不与BaCl₂反应），主要是和晶体中的SO₄^2-反应，根据元素守恒计算；
（5）Mn₂O₃在空气中加热到940℃以上时，会分解生成氧气和另一种锰的氧化物，根据质量守恒和元素守恒计算．

解答 解：（1）MnO₂是两性化合物，在酸性条件之下是一种氧化剂，根据流程图分析，MnO₂和MnS在稀硫酸中反应生成一种非金属单质，即滤渣1，同时产生MnSO₄，是一个氧化还原反应，则“酸浸”时反应①的离子反应方程式为：MnO₂+4H⁺+MnS═S+2Mn²⁺+2H₂O，
故答案为：MnO₂+4H⁺+MnS═S+2Mn²⁺+2H₂O；
（2）根据流程图，MnSO₄溶液经过操作X变成MnSO₄•H₂O晶体，操作X为蒸发浓缩、过滤、洗涤干燥，用乙醇洗涤MnSO₄•H₂O晶体，则是为了冷却结晶，降低晶体的溶解，同时考虑到乙醇易挥发，很容易除去，则常用酒精洗涤MnSO₄•H₂O晶体，主要目的是：冷却结晶，减少MnSO₄•H₂O晶体的溶解，乙醇易挥发便于除杂，
故答案为：冷却结晶，减少MnSO₄•H₂O晶体的溶解，乙醇易挥发便于除杂；
（3）煅烧硫酸锰晶体，产生一种污染空气气体Y，根据元素守恒判断，为SO₂，SO₂和软锰矿在水中反应生成硫酸锰溶液，则反应②的化学方程式为MnO₂+SO₂═MnSO₄，
故答案为：MnO₂+SO₂═MnSO₄；
（4）用0.2000mol/L的标准BaCl₂溶液测定流程图中MnSO₄•H₂O晶体样品的纯度（杂质不与BaCl₂反应），主要是和晶体中的SO₄^2-反应，取样品ag，若消耗标准溶液50.00ml，根据S元素守恒，样品中含有MnSO₄•H₂O的物质的量为n=0.2000mol/L×50.00×10^-3L=0.01mol，则样品中含有的MnSO₄•H₂O晶体的质量为m=0.01mol×169g/mol=1.69g，所以ag样品中的纯度为$\frac{m}{a}×100%$=$\frac{169}{a}%$，
故答案为：$\frac{169}{a}%$；
（5）Mn₂O₃在空气中加热到940℃以上时，会分解生成氧气和另一种锰的氧化物，47.4g Mn₂O₃按上述反应分解生成1.6g氧气，根据质量守恒，产生的锰的氧化物的质量为47.4g-1.6g=45.8g，47.4gMn₂O₃中含有Mn的质量为$47.4g×\frac{110}{158}$=33g，根据Mn元素守恒，则分解产物锰的氧化物中也应含有Mn的质量为33g，含有O的质量为45.8g-33g=12.8g，所以锰的氧化物中，含有Mn的物质的量为n（Mn）=$\frac{33g}{55g/mol}=0.6mol$，含有O的物质的量为n（O）=$\frac{12.8g}{16g/mol}=0.8mol$，则n（Mn）：n（O）=3：4，因此化学式为Mn₃O₄（或MnO₂•2MnO），
故答案为：Mn₃O₄（或MnO₂•2MnO）．

点评 本题考查Mn族元素的性质，结氧化还原反应方程式的书写和配平，结合流程图分析，明确流程图中每一步操作的含义，结合守恒思想进行分析计算可以起到简便的作用，题目难度不大．事实上，学过大学无机化学的会知道，对于Mn，Mn₂O₃处于中间价态，不稳定，很容易变成MnO₂和MnO，MnO2是两性的，酸中起氧化剂作用，碱中起还原剂作用，本题（1）中MnO₂其实并不与稀的H₂SO₄反应，会和浓硫酸反应产生O₂，这是易错点．