Question

【題目】K2SO4是無氯優質鉀肥，Mn3O4是生產軟磁鐵氧體材料的主要原料。某研究性小組對K2SO4和Mn3O4的制備展開了系列研究。

Ⅰ．以硫酸工業的尾氣SO2制備K2SO4的工藝流程如下：

（1）反應釜I中發生的反應包括： 2CaCO3 + 2SO2+O2=2_______+2CO2

（2）反應釜III：向反應II 所得(NH4)2SO4溶液中加入KCl溶液充分反應后，經蒸發濃縮、過濾 、洗滌、干燥等操作即可制得K2SO4產品。為提高K2SO4產品純度，過濾時應控制反應液的溫度范圍為______（填字母序號，如圖為幾種鹽的溶解度曲線）。

A 0℃-10℃ B 20℃-30℃ C 60℃-65℃ D 80℃-90℃

（3）上述工藝流程中循環利用的物質是_______；檢驗產品K2SO4中不含雜質選用的試劑是_____

A AgNO3溶液 B BaCl2溶液 C Ba(NO3)2溶液 DNaOH溶液

Ⅱ．實驗室以SO2氣體為原料制備少量高純Mn3O4的操作步驟如下：

[資料1]亞硫酸（H2SO3）在Mn2+催化作用下被O2氧化為硫酸,硫酸與MnO2在常溫下不易發生反應。

[資料2] MnSO4在空氣中高溫煅燒生成Mn3O4和三氧化硫，當溫度超過1000℃時，Mn3O4易被氧化。

（步驟I）制備MnSO4溶液：在三頸燒瓶中（裝置見（如圖）加入一定量MnO2和水，先通氮氣，再通入SO2和N2混合氣體，攪拌反應3小時。停止通SO2，繼續反應片刻后過濾得MnSO4溶液。

（4）燒杯中石灰乳（有效成分為氫氧化鈣）的作用為____________。

（5）三頸燒瓶中生成MnSO4的反應化學方程式為______________。

（6）步驟I中，先通入氮氣的目的是____________。為使SO2盡可能轉化完全，在不改變固液投料和通入的SO2和N2比例一定的條件下，可采取的合理措施有：及時攪拌反應液、____________（任寫1條）。

（步驟II）制備MnSO4H2O晶體：利用硫酸錳的溶解度在100℃以上隨溫度升高而急劇降低的原理,采用壓力釜升溫加壓結晶法后過濾、洗滌、低溫干燥得純凈的MnSO4H2O晶體。

（步驟III）制備Mn3O4固體：準確稱取101.4mg MnSO4H2O，將MnSO4H2O晶體在空氣中高溫煅燒，下圖是用熱重分析儀測定煅燒時溫度與剩余固體質量變化曲線。

（7）Mn3O4中的Mn元素有+2，+3價，則Mn3O4中+2價和+3價錳的比例為_____

（8）該曲線中A段所表示物質的化學式為____________。

（9）試通過計算確定反應至圖中C點時所對應的剩余固體成分的化學式____（請寫出計算過程）。

Answer 1

【答案】CaSO4 D CaCO3 AC 吸收二氧化硫氣體，防止空氣污染 MnO2+SO2=MnSO4 排盡裝置內的空氣，防止SO2氣體被氧化為硫酸，導致轉化率降低 控制氣體流速（緩慢通入混合氣體）、控制適當的溫度 1：2 MnSO4 根據元素守恒求出m(Mn)=33mg；m(O)=14.4mg,求出MnxOy中的x:y=2:3 并寫出Mn2O3

【解析】

（1）由化學方程式可知，反應前有2個鈣原子、2個碳原子、2個硫原子和12個氧原子，反應后出現了2個碳原子和4個氧原子，隔絕質量守恒定律，尚缺2個鈣原子、2個硫原子和8個氧原子，則空格處應有1個鈣原子、1個硫原子和4個氧原子，所以空格處的化學式為CaSO4，故填CaSO4。

（2）提高K2SO4產品純度，就是讓硫酸鉀以晶體的形式從溶液中結晶析出，而其它物質均繼續溶解在溶液中，由溶解度曲線可知，在80℃-90℃時硫酸鉀與其它物質的溶解度相差較大，所以過濾時應控制反應液的溫度范圍為80℃-90℃，故填D。

（3）從流程圖中可知，碳酸鈣開始是反應物，后面是生成物，所以能夠循環利用的物質是CaCO3，故填CaCO3；

檢驗產品K2SO4中不含雜質，即硫酸鉀中不含氯化銨，可通過檢驗氯離子來證明，方法是取少量樣品加水溶解，先加入足量的 Ba(NO3)2溶液排除硫酸根離子的干擾，然后取上層清液再加入AgNO3溶液，無明顯現象，故填AC。

（4）石灰乳能與二氧化硫反應，防止二氧化硫排放到空氣中污染空氣，故填吸收二氧化硫氣體，防止空氣污染。

（5）反應是二氧化錳與二氧化硫反應生成硫酸錳，故反應的化學方程式寫為：MnO2+SO2=MnSO4。

（6）反應時先通入氮氣能夠排凈容器中的空氣，避免二氧化錳與氧氣反應生成硫酸，降低硫酸錳的生產率，故填排盡裝置內的空氣，防止SO2氣體被氧化為硫酸，導致轉化率降低；

控制氣體流速，能夠延長物質的反應時間，從而提高生成物的轉化率，也可以控制適當的溫度，即適當提高反應的溫度，但反應物均為氣體，溫度也不宜太高，故填控制氣體流速（緩慢通入混合氣體）、控制適當的溫度。

（7）Mn3O4中的Mn元素有+2，+3價，氧元素的化合價為-2價，根據化合物中各元素的化合價的代數和為零，則Mn3O4中+2價和+3價錳的比例為1：2，故填1：2。

（8）由圖及題文可知，A段前是MnSO4H2O晶體在空氣失去結晶水的過程，固體的質量逐漸減少，所以A段所表示物質是硫酸錳，其化學式為MnSO4，故填MnSO4。

（9）解：101.4mg MnSO4H2O中錳元素的質量為101.4mg××100%=33mg

對應C點物質中的氧元素的質量為47.4mg33mg=14.4mg

則物質中的錳原子與氧原子的個數比為：=2：3

所以該物質的化學式為Mn2O3，故填Mn2O3。