Question

軟錳礦中含MnO₂約70%，SiO₂約20%，Al₂O₃約4%，其余為水分；閃鋅礦中含ZnS約80%，FeS、CuS、SiO₂共約7%，其余為水分。科研人員開發了綜合利用這兩種資源的同槽酸浸工藝，制取Zn、MnO₂和Na₂SO₄。其工藝流程如下：

（1）I的濾液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂(SO₄)₃、Al₂(SO₄)₃等。寫出MnO₂、CuS與硫酸反應的化學方程式：                                               ；
（2）已知Fe(OH)₃、Al(OH)₃、Zn(OH)₂三種物質開始沉淀和完全沉淀時溶液的pH如下表：

沉淀物	Fe(OH)3	Al(OH)3	Zn(OH)2
開始沉淀pH	2.3	4.0	5.6
完全沉淀pH	4.1	5.2	8.0

 
則III中調節溶液的pH至5.2～5.4，此時生成沉淀M的成分為          （寫化學式），III中加入MnO₂的作用是                                            ；
（3）Na₂SO₄和Na₂SO₄·10H₂O的溶解度曲線（g/100g水）如圖，則IV中得到Na₂SO₄固體的操作是：將分離出MnCO₃和ZnCO₃后的濾液升溫結晶、           、用乙醇洗滌后干燥。用乙醇洗滌而不用水洗的原因是                     ；

（4）V是用惰性電極電解制得Zn和MnO₂，則陽極的電極反應式為                    ；
（5）綠色化學思想在本工藝中得到了充分體現，在本工藝流程中可循環使用的主要物質有：MnO₂、ZnCO₃、MnCO₃、       和      （寫化學式）。

Answer 1

（16分）
（1）MnO₂ + CuS+ 2H₂SO₄ ="S" + MnSO₄ + CuSO₄+2H₂O（3分）
（2）Fe(OH)₃、Al(OH)₃（各1分） 將Fe²⁺氧化成Fe³⁺（2分）
（3）趁熱過濾（2分）   防止形成 Na₂SO₄·10H₂O（2分）
（4）Mn²⁺—2e^－+2H₂O = MnO₂+4H⁺（3分）
（5）Zn、H₂SO₄（各1分）

試題分析：（1）依題意，MnO₂、CuS、H₂SO₄反應生成MnSO₄、CuSO₄、S、H₂O，錳元素由+4降為為+2價，硫元素由—2升為0價，根據最小公倍數法配平，則該反應為MnO₂+CuS+2H₂SO₄=S+MnSO₄+CuSO₄+2H₂O；（2）根據表中信息，若溶液pH調至5.2～5.4，則溶液中的鐵離子、鋁離子都被完全除去，分別變為氫氧化鐵沉淀、氫氧化鋁沉淀，所以沉淀M的成分為Fe(OH)₃、Al(OH)₃；II中加入適量Zn，充分反應后過濾，得到Cu，由此推斷發生的反應為Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu、Cu+2Fe³⁺=Cu²⁺+2Fe²⁺，則II的濾液中無鐵離子，只有亞鐵離子，為了將亞鐵離子除去，需要先將其氧化為鐵離子，再調節溶液pH將其完全變為氫氧化鐵沉淀，因此III中加入的二氧化錳是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺的氧化劑，即MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；（3）讀圖，硫酸鈉的溶解度隨溫度降低逐漸增大，而十水硫酸鈉的溶解度隨溫度降低明顯減小，由此說明從IV溶液中制取硫酸鈉固體的方法是蒸發濃縮、趁熱過濾、洗滌、干燥，而制取十水硫酸鈉固體的方法是蒸發濃縮、冷卻結晶、洗滌、干燥；用乙醇洗滌硫酸鈉固體時，不會析出十水硫酸鈉，用水洗滌硫酸鈉固體時，隨著溫度的降低，硫酸鈉溶解度增大，容易潔凈析出十水硫酸鈉固體；（4）電解前，V溶液中含有鋅離子、錳離子，由此推斷電解時鋅元素由+2降為0價，得到電子，發生還原反應，說明Zn是陰極產物；錳元素由+2升為+4價，失去電子，發生氧化反應，說明二氧化錳是陽極產物，即Mn²⁺—2e^－→MnO₂；左邊帶4個正電，右邊不帶電，呈酸性的V溶液中只能用氫離子使左右電荷守恒，則Mn²⁺—2e^－→MnO₂+4H⁺；左邊比右邊少4H、2O，根據原子個數守恒可得陽極反應式：Mn²⁺—2e^－+2H₂O=MnO₂+4H⁺；（5）根據流程圖中主要步驟的反應物和生成物推斷，V的生成物有二氧化錳、鋅、硫酸，它們分別是III、II、I的反應物，IV產生的碳酸鋅是III的反應物，它們都可以循環利用。