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%，F(xiàn)eS、CuS、SiO₂共約7%，其余為水分。科研人員開發(fā)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(yīng)的化學(xué)方程式：                                               ；
（2）已知Fe(OH)₃、Al(OH)₃、Zn(OH)₂三種物質(zhì)開始沉淀和完全沉淀時(shí)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(diào)節(jié)溶液的pH至5.2～5.4，此時(shí)生成沉淀M的成分為          （寫化學(xué)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(jié)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(yáng)極的電極反應(yīng)式為                    ；
（5）綠色化學(xué)思想在本工藝中得到了充分體現(xiàn)，在本工藝流程中可循環(huán)使用的主要物質(zhì)有：MnO₂、ZnCO₃、MnCO₃、       和      （寫化學(xué)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(guò)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(yīng)生成MnSO₄、CuSO₄、S、H₂O，錳元素由+4降為為+2價(jià)，硫元素由—2升為0價(jià)，根據(jù)最小公倍數(shù)法配平，則該反應(yīng)為MnO₂+CuS+2H₂SO₄=S+MnSO₄+CuSO₄+2H₂O；（2）根據(jù)表中信息，若溶液pH調(diào)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?yōu)闅溲趸�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(yīng)后過(guò)濾，得到Cu，由此推斷發(fā)生的反應(yīng)為Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu、Cu+2Fe³⁺=Cu²⁺+2Fe²⁺，則II的濾液中無(wú)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(diào)節(jié)溶液pH將其完全變?yōu)闅溲趸�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(shuō)明從IV溶液中制取硫酸鈉固體的方法是蒸發(fā)濃縮、趁熱過(guò)濾、洗滌、干燥，而制取十水硫酸鈉固體的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、洗滌、干燥；用乙醇洗滌硫酸鈉固體時(shí)，不會(huì)析出十水硫酸鈉，用水洗滌硫酸鈉固體時(shí)，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(shí)鋅元素由+2降為0價(jià)，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，說(shuō)明Zn是陰極產(chǎn)物；錳元素由+2升為+4價(jià)，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，說(shuō)明二氧化錳是陽(yáng)極產(chǎn)物，即Mn²⁺—2e^－→MnO₂；左邊帶4個(gè)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(jù)原子個(gè)數(shù)守恒可得陽(yáng)極反應(yīng)式：Mn²⁺—2e^－+2H₂O=MnO₂+4H⁺；（5）根據(jù)流程圖中主要步驟的反應(yīng)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(yīng)物，IV產(chǎn)生的碳酸鋅是III的反應(yīng)物，它們都可以循環(huán)利用。