Question

【题目】硫酸锰是一种重要的化工中间体，是锰行业研究的热点。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下：

已知：

①“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO。

②金属离子在水溶液中的平衡浓度与pH的关系如图所示(25℃)：

③此实验条件下Mn2+开始沉淀的pH为7.54；离子浓度≤10－5mol·L－1时，离子沉淀完全。

请回答：

（1）传统工艺处理高硫锰矿时，不经“混合焙烧”，而是直接用H2SO4浸出，其缺点为________。

（2）“氧化”时，发生反应的离子方程式为_________________________。若省略“氧化”步骤，造成的后果是_________________________。

（3）“中和除杂”时，生成沉淀的主要成分为______________________(填化学式)。

（4）“氟化除杂”时，若使溶液中的Mg2+和Ca2+沉淀完全，需维持c(F－)不低于___________。(已知：Ksp(MgF2)=6.4×10－10；Ksp(CaF2)=3.6×10－12)

（5）“系列操作”指___________、过滤、洗涤、干燥。

Answer 1

【答案】产生硫化氢等气体，污染环境 MnO2＋2Fe2＋＋4H＋＝2Fe3＋＋Mn2＋＋2H2O Fe2＋与Mn2＋沉淀区有重叠，造成Mn2＋损失 Fe(OH)3、Al(OH)3 8×10－3 mol·L－1 蒸发浓缩、冷却结晶

【解析】

高硫锰矿中含硫量较高，有一部分硫以-2价的S2-形式存在，所以加硫酸酸浸时会生成硫化氢气体；依据题给的焙烧后的烧渣成分，一一分析各步的分离与除杂。将离子浓度10-5mol·L-1代入Ksp的表达式，计算出F-的最小浓度。

（1）传统工艺采用硫酸浸出，此时MnS或FeS发生复分解反应生成H2S气体，污染环境，造成浪费；

（2）“氧化”时加入的是二氧化锰是氧化剂，还原剂是Fe2+，所以发生反应的离子方程式为：MnO2+2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O；将Fe2+氧化为Fe3+，在Mn2+尚未开始沉淀时，Fe3+已沉淀完全，若不氧化，则Fe2+与Mn2+沉淀的pH范围有重叠，沉淀法除Fe2+时会造成Mn2+损失；

（3）加入碳酸钙进行中和除杂时，生成的沉淀为Fe(OH)3、Al(OH)3；

（4）根据氟化钙和氟化镁的Ksp可分别计算出钙镁离子完全沉淀时氟离子的浓度，由Ksp(MgF2)=c(Ca2+)c(F-)2，求得钙离子完全沉淀时c(F-)=6×10-4mol·L－1，同理求得镁离子完全沉淀时c(F-)=8×10-3mol·L－1，当氟离子的浓度能使钙离子完全沉淀时，镁离子并没有完全沉淀，所以若使溶液中的Mg2+和Ca2+沉淀完全，需维持c(F－)不低于能使镁离子完全沉淀的浓度，即不低于8×10-3mol·L－1，注意不要忘写单位；

（5）“系列操作”实现了从溶液中获得MnSO4·4H2O,因为后有“过滤、洗涤、干燥”，所以前面必有结晶。由于绝大多数固体的溶解度随温度降低而降低，所以选择降温（冷却）结晶。在结晶前应先蒸发浓缩，使溶液在较高温度下形成饱和溶液或过饱和溶液。所以本题的答案为“蒸发浓缩、冷却结晶”。