Question

工業上以軟錳礦為原料，利用燒結煙氣中的SO₂制備MnSO₄·H₂O的流程如下：

某軟錳礦的主要成分為MnO₂，還含有Si(16.27%)、Fe(5.86%)、Al(3.42%)、Zn(2.68%)和Cu（0.86%）等元素的化合物。酸浸過程發生反應：Me_mO_n+H⁺→Me^（2n/m）++H₂O，Me表示Fe、 Al、 Zn、 Cu等。25℃時部分陽離子以氫氧化物或硫化物的形式完全沉淀時溶液的pH見下表：        

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

 
回答下列問題：
（1）酸浸時SO₂將MnO₂還原為MnSO₄，其離子方程式為      　　             。
酸浸時SO₂的吸收率與pH和溫度的關系如下圖，為提高SO₂的吸收率，酸浸適宜的條件是　　　　　　　               　　。
               
圖1： SO₂的吸收率與 pH值的關系  　   圖2： SO₂的吸收率與溫度的關系
（2）濾渣B的主要成分是                 　　  。
（3）加入MnS的目的是             　  　　　　　　  。
（4）操作IV的步驟為　　　　　　、　　　　　　　、過濾、洗滌、干燥。
（5）MnO₂的生產方法之一是以石墨為電極，在不斷攪拌情況下，電解酸化的MnSO₄溶液，陽極的電極反應式為：　　　               　　　　　　　　。
（6）已知金屬離子濃度小于1.0×10^－5mol/L時認為已經完全沉淀，根據表格數據，計算25℃時Zn(OH)₂溶度積K_sp為            （不需計算過程，計算結果保留兩位有效數字）。

Answer 1

（17分）
（1） MnO₂ +SO₂= Mn²⁺+SO₄^2－（3分）   pH為3左右、溫度為40℃左右（2分）
（2）Fe(OH)₃、Al(OH)₃  （2分） 
（3）除去Cu²⁺、Zn²⁺  （2分）
（4）蒸發濃縮    冷卻結晶 （2分）
（5）Mn²⁺－2e^－+2H₂O = MnO₂+ 4H⁺ （3分）
（6）1.0×10^－17 （3分）

解析試題分析：（1）依題意，二氧化硫是還原劑，二氧化錳是氧化劑，硫酸根離子是氧化產物，錳離子是還原產物，根據元素化合價升降的最小公倍數、電荷和原子個數守恒法配平可得：MnO₂ +SO₂= Mn²⁺+SO₄^2－；讀圖可知，其它變量保持不變時，酸浸溶液pH為3左右時，二氧化硫的吸收率最大；其它變量保持不變時，酸浸溶液溫度為40℃左右時，二氧化硫的吸收率最大；為了提高二氧化硫的吸收率，酸浸適宜的條件是pH為3左右、溫度為40℃左右；（2）酸浸時，二氧化錳被二氧化硫氧化，所得硫酸錳溶于水，而鐵的氧化物、鋁的氧化物、鋅的氧化物、銅的氧化物均溶于硫酸，只有硅的氧化物不溶于硫酸和水，則濾渣A的主要成分是二氧化硅；操作I是過濾，所得濾液主要含有Mn²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、SO₄^2－、H⁺，酸性條件下通入氧氣的目的是除去Fe²⁺，使亞鐵離子完全氧化為鐵離子且消耗溶液中的氫離子，發生的反應為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，通入氨水中和過量的酸，NH₃?H₂O+H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄，使溶液的pH增大；讀表中金屬陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時的pH可得，若調pH至5.4，使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，生成Fe(OH)₃、Al(OH)₃，則濾渣B的主要成分是Fe(OH)₃、Al(OH)₃，操作II是過濾，所得濾液的pH約為5.4，主要含有Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、SO₄^2－、NH₄⁺、H⁺；（3）讀表格中金屬陽離子以硫化物形式完全沉淀時的pH可得，向pH約為5.4的濾液中加入MnS，加熱煮沸時，可以除去Cu²⁺、Zn²⁺，且引入Mn²⁺，既除去雜質又不引入新的雜質；（4）操作III是過濾，濾渣C的主要成分是CuS、ZnS；所得濾液的pH約為5.4，主要含有Mn²⁺、SO₄^2－、NH₄⁺、H⁺，從該溶液中分離出MnSO₄?H₂O的方法是結晶，主要步驟是蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥；（5）陽極發生氧化反應，反應物中所含元素的化合價升高，由此推斷陽極的主要反應物是Mn²⁺，主要產物是MnO₂，根據化合價升高總數等于失去電子數，根據酸性溶液中用氫離子和水使左右電荷、原子守恒，可以書寫并配平該陽極反應式：Mn²⁺－2e^－+2H₂O = MnO₂+ 4H⁺；（6）氫氧化鋅是難溶電解質，存在如下平衡： Zn(OH)₂(s)Zn²⁺+2OH^－，由于表中氫氧化鋅完全沉淀時溶液pH=8.0，25℃時K_w=1.0×10^－14，則該溶液中c(H⁺)=1.0×10^－8mol/L，c(OH^－)=K_w/ c(H⁺)=10^－6mol/L，由于此時溶液c(Zn²⁺)=1.0×10^－5mol/L，則K_sp[Zn(OH)₂(s)]= c(Zn²⁺)? c²(OH^－)= 1.0×10^－17，注意保留兩位有效數字。
考點：考查物質制備工藝流程，涉及二氧化硫的還原性、二氧化錳的氧化性、氧化還原反應、離子方程式、二氧化硫吸收率與酸浸溶液pH和溫度的關系、濾渣B的主要成分、晶體制備的操作步驟、電解法制備二氧化錳的陽極反應式、氫氧化鋅沉淀完全時溶液的pH與水的離子積的計算、氫氧化鋅溶度積的計算等。