Question

13．锌锰干电池是最早使用的化学电池，酸性锌锰干电池以锌筒为负极，正极材料是二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的糊状混合物，中间插入一根碳棒，正极和负极之间有一层用氯化铵和氯化锌溶液浸透了的隔离纸．工作时正极上会发生反应：
2NH₄⁺+2e^-=2NH₃↑+H₂↑．电池总反应为：2MnO₂（s）+Zn（s）+NH₄⁺（aq）=2MnO（OH）（s）+[Zn（NH₃）₂]²⁺（aq）．
请回答下列问题：
（1）电池的负极反应式为Zn+2NH₄⁺-2e^-=[Zn（NH₃）₂]²⁺+2H⁺．
（2）对干电池不能进行加热或充电，否则会有可能发生爆炸．
（3）废电池糊状填充物经溶解、过滤，得到无色滤液和黑色滤渣．某课外活动小组对该滤液和滤渣进行了探究．已知：滤液的成份是氯化锌和氯化铵；Zn（OH）₂是两性氢氧化物．
I．取少量滤液于试管中，滴入适量NaOH溶液产生白色沉淀至沉淀刚开始溶解，并字不要微热，生成无色刺激性气体，检验该气体的方法是将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，试纸变蓝．继续往试管中滴入FeCl₃溶液，白色沉淀部分转化为红褐色沉淀，则可判断Zn（OH）₂的Ksp大于Fe（OH）₃的Ksp（填“大于”、“小于”、“不能判断”），写出该反应的离子方程式3Zn（OH）₂ （s）+2Fe³⁺（aq）=2Fe（OH）₃（s）+3Zn²⁺（aq）．
 II．从黑色滤渣分离出二氧化锰，探究其在用H₂O₂制备O₂过程中的作用．实验装置如图所示，将等量的H₂O₂溶液加入烧瓶中，分别进行2次实验（气体体积在相同条件下测定）．

序号	烧瓶中的物质	气体体积	MnO2的作用
实验1	足量MnO2	56mL
实验2	足量MnO2和稀硫酸	112mL

为了准确读取量气管读数，读数时视线应与左管凹液面最低处相平，还应注意读数前上下移动右管，使两管液面保持同一高度，实验1中MnO₂的作用是催化剂，则实验2中反应的离子方程式为H₂O₂+2H⁺+MnO₂=Mn²⁺+2H₂O+O₂↑．
（4）用废电池的锌皮制作七水合硫酸锌（含少量金属铁），其流程如下：

试剂A是ZnO（填化学式），操作①包括蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤等操作，其过程中所需的仪器有酒精灯、玻璃棒、漏斗和下列仪器中的bd（填字母）．（铁架台及夹持仪器略）
a．坩埚  b．蒸发皿  c．圆底烧瓶  d．小烧杯
（5）ZnSO₄•7H₂O晶体溶解于饱和Na₂CO₃溶液中，得到6.46g的碱式碳酸锌[Zn_x（CO₃）_y（OH）_z]，为了测定其组成，充分加热分解，产生的气体依次通入浓硫酸和碱石灰，质量分别增重了0.72g和0.88g，则该碱式碳酸锌的化学式Zn₃（CO₃）（OH）₄．

Answer 1

分析 （1）原电池负极发生氧化反应，由电池反应式可知，Zn失去电子生成[Zn（NH₃）₂]²⁺，可知需要NH₄⁺参与反应，结合原子守恒与电荷守恒可知有H⁺生成；
（2）正极会生成氢气，加热或充电可能发生爆炸危险；
（3）I．滤液中含有氯化铵，加入氢氧化钠溶液加热生成的气体为NH₃，氨气可以使湿润的红色石蕊试纸变蓝；
白色沉淀部分转化为红褐色沉淀，即氢氧化锌与铁离子反应达到氢氧化铁沉淀，说明氢氧化锌的溶度积大于氢氧化铁的溶度积；
Ⅱ．应保持装置内外气体压强相等，可以上下移动右管，使两管液面保持同一高度；实验1中MnO₂的作用是催化剂，实验2中又加入硫酸，生成气体体积增大，且为实验1中的2倍，说明二氧化锰不是催化剂，实验1中过氧化氢分解时发生反应：2H₂O₂$\frac{\underline{\;MnO_{2}\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，可知实验2中过氧化氢中氧元素全部被氧化为氧气，二氧化锰起氧化剂作用；
（4）酸浸时硫酸与Zn、Fe反应生成硫酸锌、硫酸亚铁，加入过氧化氢将亚铁离子氧化为铁离子，加入试剂A调节溶液pH使铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤除去，不能引入新杂质，A可以为ZnO、Zn（OH）₂、ZnCO₃，滤液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到七水合硫酸锌；
（5）浓硫酸增重为分解生成水的质量，碱石灰增重为分解得到二氧化碳的质量，结合原子守恒计算碳酸根、氢氧根的物质的量，再结合电荷守恒计算Zn²⁺的物质的量，计算X、Y、Z的比例关系确定化学式．

解答 解：（1）原电池负极发生氧化反应，由电池反应式可知，Zn失去电子生成[Zn（NH₃）₂]²⁺，可知需要NH₄⁺参与反应，结合原子守恒与电荷守恒可知有H⁺生成，负极电极反应式为：Zn+2NH₄⁺-2e^-=[Zn（NH₃）₂]²⁺+2H⁺，
故答案为：Zn+2NH₄⁺-2e^-=[Zn（NH₃）₂]²⁺+2H⁺；
（2）正极会生成氢气，加热或充电可能发生爆炸危险，
故答案为：有可能发生爆炸；
（3）I．滤液中含有氯化铵，加入氢氧化钠溶液加热生成的气体为NH₃，检验氨气的方法为：将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，试纸变蓝，
白色沉淀部分转化为红褐色沉淀，即氢氧化锌与铁离子反应达到氢氧化铁沉淀，说明氢氧化锌的溶度积大于氢氧化铁的溶度积，反应离子方程式为：3Zn（OH）₂ （s）+2Fe³⁺（aq）=2Fe（OH）₃（s）+3Zn²⁺（aq），
故答案为：将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，试纸变蓝；大于；3Zn（OH）₂ （s）+2Fe³⁺（aq）=2Fe（OH）₃（s）+3Zn²⁺（aq）；
Ⅱ．为了准确读取量气管读数，读数时视线应与左管凹液面最低处相平，还应注意：读数前上下移动右管，使两管液面保持同一高度；
实验1中MnO₂的作用是催化剂，实验2中又加入硫酸，生成气体体积增大，且为实验1中的2倍，说明二氧化锰不是催化剂，实验1中过氧化氢分解时发生反应：2H₂O₂$\frac{\underline{\;MnO_{2}\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，可知实验2中过氧化氢中氧元素全部被氧化为氧气，二氧化锰起氧化剂作用，反应离子方程式为：H₂O₂+2H⁺+MnO₂=Mn²⁺+2H₂O+O₂↑，
故答案为：读数前上下移动右管，使两管液面保持同一高度；H₂O₂+2H⁺+MnO₂=Mn²⁺+2H₂O+O₂↑；
（4）酸浸时硫酸与Zn、Fe反应生成硫酸锌、硫酸亚铁，加入过氧化氢将亚铁离子氧化为铁离子，加入试剂A调节溶液pH使铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤除去，不能引入新杂质，A可以为ZnO、Zn（OH）₂、ZnCO₃，滤液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到七水合硫酸锌，操作①过程中所需的仪器有酒精灯、玻璃棒、漏斗和蒸发皿、小烧杯，
故答案为：ZnO等；蒸发浓缩；bd；
（5）浓硫酸增重为分解生成水的质量，水的物质的量为$\frac{0.72g}{18g/mol}$=0.04mol，则n（OH^-）=0.08mol，碱石灰增重为分解得到二氧化碳的质量，二氧化碳物质为$\frac{0.88g}{44g/mol}$=0.02mol，则n（CO₃^2-）=0.02mol，结合原子守恒，可知（Zn²⁺）=$\frac{1}{2}$×（0.08mol+0.02mol×2）=0.06mol，则x：y：z=0.06：0.02：0.08=3：1：4，故该碱式碳酸锌的化学式为：Zn₃（CO₃）（OH）₄，
故答案为：Zn₃（CO₃）（OH）₄．

点评 本题比较综合，涉及原电池、元素化合物性质、离子检验、沉淀转化、化学工艺流程、物质的分离提纯、物质组成测定等，（1）中可以利用总反应式减去正极反应式得到负极反应式，需要学生具备扎实的基础与灵活运用的能力．