Question

19．二氧化锰在生活和化学实验中有广泛应用．海底蕴藏着丰富的锰结核矿，其主要成分是MnO₂．1991年由Allen等人研究，用硫酸淋洗后使用不同的方法可制备纯净的MnO₂，其制备过程如图所示：

（1）步骤Ⅰ中，试剂甲必须具有的性质是D（填序号）．
A．碱性              B．稳定性             C．氧化性            D．还原性
（2）用惰性材料作电极，电解硫酸锰溶液制二氧化锰，写出阳极反应式：Mn²⁺-2e^-+2H₂O═MnO₂↓+4H⁺．
步骤Ⅲ中，以KClO₃为氧化剂，当生成0.050mol MnO₂时，消耗0.10mol•L^-1的NaClO₃溶液200mL，该反应的离子方程式为2ClO₃^-+5Mn²⁺+4H₂O=5MnO₂+Cl₂↑+8H⁺．
（3）用100mL 12.0mol•L^-1的浓盐酸与足量MnO₂混合后，加热，反应产生的氯气在标准状况下体积范围为V（Cl₂）＜6720mL．工业上可以用实验室制氯气的残余物质溶液吸收氯气，获得Mn₂O₃，Mn₂O₃广泛应用于电子工业、印染工业等领域．请写出该化学反应的离子方程式：2Mn²⁺+Cl₂+3H₂O═Mn₂O₃+6H⁺+2Cl^-．
（4）二氧化锰是实验室制取氧气的催化剂．下列是某同学设计实验探究双氧水分解实验方案；

实验	20.0mL双氧水溶液浓度	粉状MnO2	温度	待测数据
Ⅰ	5%	2.0g	20℃
Ⅱ	5%	1.0g	20℃
Ⅲ	10%	1.0g	20℃
Ⅳ	ω	2.0g	30℃

①实验Ⅱ和Ⅲ的结论是其他条件不同，反应物浓度越大，反应速率越快．
②利用实验Ⅰ和Ⅳ探究温度对化学反应速率的影响，w=5%．本实验待测数据是收集等体积氧气所需要的时间．

Answer 1

分析 工业上从锰结核矿中制取纯净的MnO₂工艺流程中，先选矿富集，锰结核矿为锰的氧化物与其它金属氧化物的混合物，加入稀硫酸和试剂甲发生反应生成Mn²⁺，说明发生了氧化还原反应生成锰离子，则甲为还原剂，步骤Ⅱ电解法将锰离子氧化成二氧化锰，该反应应在电解池的阳极发生，步骤Ⅲ在溶液中加入KClO₃反应，将锰离子氧化成生成MnO₂，
（1）步骤I中，Mn元素的化合价由+4价降低为+2价；
（2）用惰性材料作电极，电解硫酸锰溶液制二氧化锰，阳极上锰离子发生氧化反应生成二氧化锰，步骤Ⅲ中，以NaClO₃为氧化剂，当生成0.050mol MnO₂时，消耗0.10mol•L^-1 的NaClO₃溶液200mL，利用电子守恒确定还原产物，以此书写离子反应；
（3）用100mL 12.0mol•L^-1的浓盐酸与足量MnO₂混合后，加热，反应产生的氯气，当浓盐酸变为稀盐酸时，反应就会停止，MnSO₄溶液吸收氯气，获得Mn₂O₃，还生成硫酸和盐酸，以此书写反应方程式；
（4）①比较实验Ⅱ和Ⅲ的数据可知，两个实验中双氧水溶液浓度和实验温度都是相同的，只有二氧化锰的质量不同，据此答题；
②利用实验Ⅰ和Ⅳ探究温度对化学反应速率的影响，比较实验Ⅰ和Ⅳ的数据可知，两个实验的二氧化锰的质量相同，温度不同，则双氧水的浓度也应该相同，可判断反应的快慢，可以通过收集相同体积的气体所需要的时间判断，据此答题．

解答 解：（1）步骤I中，Mn元素的化合价由+4价降低为+2价，则试剂甲应具有还原性，故答案为：D；
（2）用惰性材料作电极，电解硫酸锰溶液制二氧化锰，阳极上锰离子发生氧化反应生成二氧化锰，电极反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O═MnO₂↓+4H⁺，步骤Ⅲ中，以NaClO₃为氧化剂，当生成0.050mol MnO₂时，消耗0.10mol•L^-1 的NaClO₃溶液200mL，设还原产物中Cl的化合价为x，则由电子守恒可知，0.05mol×（4-2）=0.1mol/L×0.2L×（5-x），解得x=0，即生成氯气，则离子反应为2ClO₃^-+5Mn²⁺+4H₂O=5MnO₂+Cl₂↑+8H⁺，
故答案为：Mn²⁺-2e^-+2H₂O═MnO₂↓+4H⁺；2ClO₃^-+5Mn²⁺+4H₂O=5MnO₂+Cl₂↑+8H⁺；
（3）用100mL 12.0mol•L^-1的浓盐酸与足量MnO₂混合后，加热，反应产生的氯气，当浓盐酸变为稀盐酸时，反应就会停止，反应中氯化氢的最大物质的量为100mL×12.0mol•L^-1=1.2mol，所以产生的氯气在标准状况下体积最大值为$\frac{1}{4}$×1.2mol×22.4L/mol=6720mL，而实际上产生的氯气的体积小于6720mL，工业上可用MnSO₄溶液吸收氯气，获得Mn₂O₃，还生成硫酸和盐酸，该反应为2Mn²⁺+Cl₂+3H₂O═Mn₂O₃+6H⁺+2Cl^-，
故答案为：V（Cl₂）＜6720mL；2Mn²⁺+Cl₂+3H₂O═Mn₂O₃+6H⁺+2Cl^-；
（4）①比较实验Ⅱ和Ⅲ的数据可知，两个实验中双氧水溶液浓度和实验温度都是相同的，只有二氧化锰的质量不同，所以可通过这两个实验得出的结论为：其他条件不同，反应物浓度越大，反应速率越快，
故答案为：其他条件不同，反应物浓度越大，反应速率越快；
②利用实验Ⅰ和Ⅳ探究温度对化学反应速率的影响，比较实验Ⅰ和Ⅳ的数据可知，两个实验的二氧化锰的质量相同，温度不同，则双氧水的浓度也应该相同，即ω=5%，根据收集相同体积的气体所需要的时间可以判断反应的快慢，所以本实验待测数据是收集等体积氧气所需要的时间，
故答案为：5%；收集等体积氧气所需要的时间．

点评 本题以二氧化锰的制取为载体，主要考查了物质性质和实验基本操作的理解应用，氧化还原反应产物的分析等，掌握基础是关键，题目难度中等．