Question

为了回收利用钢铁生产过程中产生的SO₂，工业上采用软锰矿（主要成分MnO₂）脱硫同时制取硫酸锰技术，其流程示意图如图1：

已知：浸出液的pH接近4，其中的金属离子主要是Mn²⁺，还含有少量的Fe²⁺．完成下列填空．
（1）写出浸出过程中主要反应的化学方程式：

 

．
（2）浸出过程的副反应之一是部分SO₂被氧化为硫酸，致使浸出液的pH下降，这将

 

（“有利”、“不利”）于软锰矿浆继续吸收SO₂．欲消除生成的硫酸，试剂A最好是

 

．
a．MnCO₃         b．MnO₂           c．CaO            d．CaCO₃
（3）操作I的目的是除去浸出液中的Fe²⁺，MnO₂在氧化Fe²⁺的同时还

 

，使Fe³⁺沉淀．检验过滤后溶液中是否含有Fe³⁺的操作是

 

．
（4）已知大于27℃时，MnSO₄?H₂O溶解度随温度上升而明显下降，则操作II的过程为：

 

、

 

、洗涤、干燥．工业上为了充分利用锰元素，在流程中

 

可循环使用．
（5）通过煅烧MnSO₄?H₂O 可制得生产软磁铁氧体材料的Mn_xO₄，图2是煅烧MnSO₄?H₂O时温度与剩余固体质量变化曲线．该曲线中A段所表示物质的化学式为

 

；Mn_xO₄中x=

 

．

Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用

专题：实验设计题

分析：回收利用钢铁生产过程中产生的SO₂，工业上采用软锰矿（主要成分MnO₂）脱硫同时制取硫酸锰技术，其流程为：通入含SO₂烟气进入浸出液中，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，反应的化学方程式为SO₂+MnO₂=MnSO₄，同时副反应之一是部分SO₂被氧化为硫酸，因酸性条件不利于软锰矿浆继续吸收SO₂，需加MnCO₃，除去硫酸，同时不引入新的杂质，所以试剂A为MnCO₃，因pH接近4，其中的金属离子主要是Mn²⁺，所以浸出过程的操作I的目的是除去浸出液中的Fe²⁺，MnO₂在氧化Fe²⁺的同时还调节溶液pH，促进Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃，使Fe³⁺沉淀，已知大于27℃时，MnSO₄?H₂O溶解度随温度上升而明显下降，则操作II的过程为：蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥，制得MnSO₄．
（1）从流程图看，浸出过程是软锰矿浆（MnO₂）与SO₂的反应；
（2）硫酸是强酸，能和软锰矿浆的主要成分是MnO₂反应，不利于软锰矿浆继续吸收SO₂，除去硫酸，同时不引入新的杂质，所以试剂A为MnCO₃；
（3）MnO₂在氧化Fe²⁺的同时还调节溶液pH，促进Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃，铁离子的检验方法是：向溶液中加入KSCN溶液，观察现象，若溶液变红色，说明溶液中存在Fe³⁺，若没有变成红色，证明溶液中没有铁离子；
（4）依据流程分析，操作Ⅱ是对得到的硫酸锰溶液结晶析出，方法为蒸发溶剂浓缩趁热过滤；工业上为了充分利用锰元素，在流程中操作II后剩余的母液可循环使用；
（5）MnSO₄?H₂O在高温下易分解，产物是Mn_xO₄、含硫化合物、水，依据固体质量-分解温度的关系图象，分析质量变化与对应的化学反应，求解A段所表示物质的化学式和x的值．

解答： 解：回收利用钢铁生产过程中产生的SO₂，工业上采用软锰矿（主要成分MnO₂）脱硫同时制取硫酸锰技术，其流程为：通入含SO₂烟气进入浸出液中，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，反应的化学方程式为SO₂+MnO₂=MnSO₄，同时副反应之一是部分SO₂被氧化为硫酸，因酸性条件不利于软锰矿浆继续吸收SO₂，需加MnCO₃，除去硫酸，同时不引入新的杂质，所以试剂A为MnCO₃，因pH接近4，其中的金属离子主要是Mn²⁺，所以浸出过程的操作I的目的是除去浸出液中的Fe²⁺，MnO₂在氧化Fe²⁺的同时还调节溶液pH，促进Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃，使Fe³⁺沉淀，已知大于27℃时，MnSO₄?H₂O溶解度随温度上升而明显下降，则操作II的过程为：蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥，制得MnSO₄．
（1）软锰矿浆的主要成分是MnO₂，通入SO₂浸出液的pH接近4，其中的金属离子主要是Mn²⁺，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，反应的化学方程式为SO₂+MnO₂=MnSO₄，
故答案为：SO₂+MnO₂=MnSO₄；
（2）浸出过程的副反应之一是部分SO₂被氧化为硫酸，硫酸是强酸，能和软锰矿浆的主要成分是MnO₂反应，不利于软锰矿浆继续吸收SO₂，除去硫酸，同时不引入新的杂质，硫酸和MnCO₃反应生成Mn²⁺和二氧化碳，能除去硫酸，同时不引入新的杂质，
故答案为：不利；a；
（3）Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，反应的离子方程式为2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺=2Fe³⁺+Mn²⁺+2H₂O，所以MnO₂在氧化Fe²⁺的同时还调节溶液pH，促进Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃，检验过滤后溶液中是否含有Fe³⁺的操作：加入KSCN溶液，发生络合反应，Fe³⁺+3SCN^-?Fe（SCN）₃溶液立即呈血红色，证明含有三价铁离子，
故答案为：调节溶液pH，促进Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃；取上层清液，滴加KSCN，若溶液不显血红色，则说明Fe³⁺已沉淀完全；
（4）操作Ⅱ是依据流程得到硫酸锰溶液中得到溶质晶体，因大于27℃时，MnSO₄?H₂O溶解度随温度上升而明显下降，所以采取的措施是：蒸发浓缩、趁热过滤，操作II后剩余的母液含Mn²⁺，工业上为了充分利用锰元素，在流程中操作II后剩余的母液可循环使用，
故答案为：蒸发浓缩、趁热过滤；操作II后剩余的母液；
（5）探究物质的变化规律时，运用了物质的质量守恒和元素的质量守恒法．MnSO₄?H₂O在高温下易分解，101.4克的MnSO₄?H₂O物质的量为：

101.4g

169g/mol

=0.6mol，根据锰元素守恒，MnSO₄?H₂O分解时，先转变为MnSO₄和H₂O，质量为：0.6mol×151g/mol=90.60g，所以图2曲线中A段质量减少：101.4-90.60=10.8克为水，所以该曲线中A段所表示物质的化学式为MnSO₄，根据表中的数据可知：B固体质量为45.80克，为Mn_xO₄，根据锰元素守恒，Mn_xO₄的物质的量为

0.6

x

mol，则

0.6

x

mol×（55x+16×4）g/mol=45.80g，x=3，
此时发生的反应为：3MnSO₄?H₂O

高温  .

Mn₃O₄+SO₂↑+2SO₃↑+3H₂O，
故答案为：MnSO₄；3．

点评：本题以制备硫酸锰的生产流程为知识载体，考查了离子的检验及氧化还原、探究物质的变化规律等内容，题目难度中等，注意把握数据处理和图象分析．（5）为该题的难点，根据锰元素守恒是解答的关键．