Question

9．高锰酸钾[KMnO₄]是常用的氧化剂，工业上以软锰矿（主要成分是MnO₂）为原料制备高锰酸钾晶体．中间产物为锰酸钾[K₂MnO₄]，如图是实验室模拟制备的操作流程：

相关资料：
①物质溶解度

物质	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②锰酸钾[K₂MnO₄]
外观性状：墨绿色结晶．其水溶液呈深绿色，这是锰酸根（MnO₄^2-）的特征颜色．
化学性质：在强碱性溶液中稳定，在酸性、中性和弱碱性环境下，MnO₄^2-会发生歧化反应．
试回答下列问题：
（1）煅烧软锰矿和KOH固体时，不采用石英坩埚而选用铁坩埚的理由是瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应，坩埚被腐蚀；实验中用铁坩锅煅烧暴露在空气中的固体混合物发生反应的化学方程式为2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O．
（2）实验时，若CO₂过量会生成KHCO₃，导致得到的KMnO₄产品的纯度降低．请写出实验中通入适量CO₂时体系中可能发生反应离子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；
（3）由于CO₂的通入量很难控制，因此对上述实验方案进行了改进，即把实验中通CO₂改为加其他的酸．从理论上分析，选用下列酸中a，得到的产品纯度更高．
a．醋酸b．浓盐酸c．稀硫酸．
（4）工业上一般采用惰性电极电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，试写出该电解反应的化学方程式：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；传统工艺采用无膜电解法由于副反应发生，Mn元素利用率和电流效率都会偏低．有同学联想到离子交换膜法电解饱和食盐水提出改进方法：可用阳离子交换膜分隔两极区进行电解（如图）图中A口加入的溶液最好为KOH溶液．使用阳离子交换膜可以提高Mn元素利用率的原因为阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原．

Answer 1

分析 由题目信息，可知二氧化锰与KOH煅烧生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳与溶液中氢氧化钠反应，调节pH，由工艺流程可知，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃，利用溶解度不同进行结晶分离．若通入CO₂太多，会生KHCO₃，滤液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加热浓缩时，会有KHCO₃晶体和KMnO₄晶体一起析出，导致得到的KMnO₄产品的纯度降低．
（1）瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应；煅烧暴露在空气中煅烧混合物，由题目信息，可知二氧化锰与KOH煅烧生成K₂MnO₄，由电子转移守恒可知，应有氧气参加反应，根据H元素守恒应有水生成，配平书写方程式；
（2）溶液中通入二氧化碳与溶液中氢氧化钠反应，调节pH，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃；
（3）醋酸钾的溶解度比高锰酸钾大的多，蒸发浓缩时基本上都会留在母液中，盐酸具有还原性，易被高锰酸钾氧化，硫酸加入生成的硫酸钾溶解度小，会随KMnO₄一起结晶析出；
（4）电解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素发生氧化反应，故溶液中水电离的氢离子放电，发生还原反应生成氢气，同时得到KOH；
由图可知，阳离子由左室通过阳离子交换膜进入右室，故左室为阴极室，右室为阴极室，溶液中生成KOH；
阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原．

解答 解：由题目信息，可知二氧化锰与KOH煅烧生成K₂MnO₄，溶液中通入二氧化碳与溶液中氢氧化钠反应，调节pH，由工艺流程可知，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃，利用溶解度不同进行结晶分离．若通入CO₂太多，会生KHCO₃，滤液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加热浓缩时，会有KHCO₃晶体和KMnO₄晶体一起析出，导致得到的KMnO₄产品的纯度降低．
（1）瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应，坩埚被腐蚀；煅烧暴露在空气中煅烧混合物，由题目信息，可知二氧化锰与KOH煅烧生成K₂MnO₄，由电子转移守恒可知，应有氧气参加反应，根据H元素守恒应有水生成，配平后方程式为：2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O，
故答案为：瓷坩埚中的二氧化硅和强碱反应，坩埚被腐蚀；2MnO₂+4KOH+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2K₂MnO₄+2H₂O；
（2）溶液中通入二氧化碳与溶液中氢氧化钠反应，调节pH，CO₂使MnO₄^2-发生歧化反应，生成MnO₄^-和MnO₂，根据元素守恒可知，会生成K₂CO₃，有关反应离子方程式为：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，
故答案为：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-、2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O；
（3）盐酸具有还原性，易被高锰酸钾氧化，硫酸加入生成的硫酸钾溶解度小，会随KMnO₄一起结晶析出得到的高锰酸钾中含有杂质，醋酸钾的溶解度比高锰酸钾大的多，蒸发浓缩时基本上都会留在母液中，故答案为：a；
（4）电解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄，Mn元素发生氧化反应，故溶液中水电离的氢离子放电，发生还原反应生成氢气，同时得到KOH，电解反应方程式为：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
由图可知，阳离子由左室通过阳离子交换膜进入右室，故左室为阴极室，右室为阴极室，溶液中生成KOH，故A溶液应为KOH溶液；
阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原，提高了Mn元素利用率，
故答案为：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；阳离子交换膜防止锰酸根进入阴极区被还原．

点评 本题考查实验制备方案，涉及化学工艺流程、仪器与试剂选择、对实验条件的控制、电解应用、对题目信息获取与应用等，需要学生具有扎实的基础知识与灵活运用知识解决问题的能力，难度中等．