Question

【題目】K2SO4是無氯優(yōu)質(zhì)鉀肥，Mn3O4是生產(chǎn)軟磁鐵氧體材料的主要原料。某研究性小組對(duì)K2SO4和Mn3O4的制備展開了系列研究。

Ⅰ．以硫酸工業(yè)的尾氣SO2制備K2SO4的工藝流程如下：

（1）反應(yīng)釜I中發(fā)生的反應(yīng)包括： 2CaCO3 + 2SO2+O2=2_______+2CO2

（2）反應(yīng)釜III：向反應(yīng)II 所得(NH4)2SO4溶液中加入KCl溶液充分反應(yīng)后，經(jīng)蒸發(fā)濃縮、過濾 、洗滌、干燥等操作即可制得K2SO4產(chǎn)品。為提高K2SO4產(chǎn)品純度，過濾時(shí)應(yīng)控制反應(yīng)液的溫度范圍為______（填字母序號(hào)，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(huán)利用的物質(zhì)是_______；檢驗(yàn)產(chǎn)品K2SO4中不含雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(fā)生反應(yīng)。

[資料2] MnSO4在空氣中高溫煅燒生成Mn3O4和三氧化硫，當(dāng)溫度超過1000℃時(shí)，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?dú)�，再通�?/span>SO2和N2混合氣體，攪拌反應(yīng)3小時(shí)。停止通SO2，繼續(xù)反應(yīng)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(yīng)化學(xué)方程式為______________。

（6）步驟I中，先通入氮?dú)獾哪康氖?/span>____________。為使SO2盡可能轉(zhuǎn)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(shí)攪拌反應(yīng)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(jié)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(zhǔn)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(cè)定煅燒時(shí)溫度與剩余固體質(zhì)量變化曲線。

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

（8）該曲線中A段所表示物質(zhì)的化學(xué)式為____________。

（9）試通過計(jì)算確定反應(yīng)至圖中C點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的剩余固體成分的化學(xué)式____（請(qǐng)寫出計(jì)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(nèi)的空氣，防止SO2氣體被氧化為硫酸，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低 控制氣體流速（緩慢通入混合氣體）、控制適當(dāng)?shù)臏囟?/span> 1：2 MnSO4 根據(jù)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(xué)方程式可知，反應(yīng)前有2個(gè)鈣原子、2個(gè)碳原子、2個(gè)硫原子和12個(gè)氧原子，反應(yīng)后出現(xiàn)了2個(gè)碳原子和4個(gè)氧原子，隔絕質(zhì)量守恒定律，尚缺2個(gè)鈣原子、2個(gè)硫原子和8個(gè)氧原子，則空格處應(yīng)有1個(gè)鈣原子、1個(gè)硫原子和4個(gè)氧原子，所以空格處的化學(xué)式為CaSO4，故填CaSO4。

（2）提高K2SO4產(chǎn)品純度，就是讓硫酸鉀以晶體的形式從溶液中結(jié)晶析出，而其它物質(zhì)均繼續(xù)溶解在溶液中，由溶解度曲線可知，在80℃-90℃時(shí)硫酸鉀與其它物質(zhì)的溶解度相差較大，所以過濾時(shí)應(yīng)控制反應(yīng)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(yīng)物，后面是生成物，所以能夠循環(huán)利用的物質(zhì)是CaCO3，故填CaCO3；

檢驗(yàn)產(chǎn)品K2SO4中不含雜質(zhì)，即硫酸鉀中不含氯化銨，可通過檢驗(yàn)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(xiàn)象，故填AC。

（4）石灰乳能與二氧化硫反應(yīng)，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(yīng)是二氧化錳與二氧化硫反應(yīng)生成硫酸錳，故反應(yīng)的化學(xué)方程式寫為：MnO2+SO2=MnSO4。

（6）反應(yīng)時(shí)先通入氮?dú)饽軌蚺艃羧萜髦械目諝猓�避免二氧化錳與氧氣反應(yīng)生成硫酸，降低硫酸錳的生產(chǎn)率，故填排盡裝置內(nèi)的空氣，防止SO2氣體被氧化為硫酸，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低；

控制氣體流速，能夠延長(zhǎng)物質(zhì)的反應(yīng)時(shí)間，從而提高生成物的轉(zhuǎn)化率，也可以控制適當(dāng)?shù)臏囟�，即適當(dāng)提高反應(yīng)的溫度，但反應(yīng)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(dāng)?shù)臏囟取?/span>

（7）Mn3O4中的Mn元素有+2，+3價(jià)，氧元素的化合價(jià)為-2價(jià)，根據(jù)化合物中各元素的化合價(jià)的代數(shù)和為零，則Mn3O4中+2價(jià)和+3價(jià)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(jié)晶水的過程，固體的質(zhì)量逐漸減少，所以A段所表示物質(zhì)是硫酸錳，其化學(xué)式為MnSO4，故填MnSO4。

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

對(duì)應(yīng)C點(diǎn)物質(zhì)中的氧元素的質(zhì)量為47.4mg33mg=14.4mg

則物質(zhì)中的錳原子與氧原子的個(gè)數(shù)比為：=2：3

所以該物質(zhì)的化學(xué)式為Mn2O3，故填Mn2O3。