Question

7．市售一次电池品种很多，碱性锌锰电池在日常生活中用量很大．回收废旧锌锰电池并进行重新处理，可以获得MnO₂及其他副产品，其工艺流程如图：

已知：“锰粉”的主要成分有MnO₂、Zn（OH）₂、MnOOH、碳粉，还含有少量铁盐和亚铁盐．常温下，生成氢氧化物沉淀的pH如下表：

物质	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Zn（OH）2	Mn（OH）2/Mn（OH）3
开始沉淀pH	2.7	7.6	5.7	8.3
完全沉淀pH （c≤1.0×10-5mol/L）	3.7	9.6	8.0	8.8

（1）加入NaOH溶液调节pH=8.0，目的是使Fe³⁺、Zn²⁺完全沉淀而除去；计算常温下Zn（OH）₂的溶度积常数K_sp[Zn（OH）₂]=1.0×10^-17．
（2）写出滤液2中的Mn²⁺变成MnO₂的离子方程式Mn²⁺+H₂O₂+2OH^-=MnO₂↓+2H₂O．
（3）写出滤渣B与稀硫酸在pH=5时反应的化学方程式Zn（OH）₂+H₂SO₄=ZnSO₄+2H₂O．
（4）工艺中还可以将滤液4进行蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤得到含结晶水的硫酸盐晶体．
（5）MnO₂常用来制取KMnO₄．在一定条件下将MnO₂氧化为K₂MnO₄，然后用铁作阴极、铂作阳极电解K₂MnO₄溶液得到KMnO₄．电解K₂MnO₄溶液的总反应方程式为2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+2KOH+H₂↑．

Answer 1

分析 “锰粉”的主要成分有MnO₂、Zn（OH）₂、MnOOH、碳粉，还含有少量铁盐和亚铁盐，向锰粉中加入浓盐酸并加热，发生反应为MnO₂+4HCl（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O、Zn（OH）₂+2HCl=ZnCl₂+2H₂O、Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑，然后采用过滤方法得到滤渣A和滤液1，滤渣A中含有MnOOH、C，滤液1中含有氯化锰、氯化锌、氯化亚铁等，向滤液中加入少量双氧水，发生反应为Mn²⁺+H₂O₂+2OH^-=MnO₂↓+2H₂O、Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=Fe ³⁺+2H₂O，加入NaOH溶液调节溶液pH=8.0，根据表中数据知，Fe³⁺、Zn²⁺完全沉淀而除去；然后过滤，向滤液2中加入足量NaOH和双氧水，然后过滤得到固体MnO₂，
向滤渣B中加入稀硫酸并调节溶液的pH=5，得到的沉淀是Fe（OH）₃，Zn（OH）₂溶解，过滤得到的滤液4溶液主要成分是硫酸锌，滤渣C是Fe（OH）₃，
（1）加入NaOH溶液调节pH=8.0，目的是除去锌、铁离子；常温下Zn（OH）₂的溶度积常数K_sp[Zn（OH）₂]=c（OH^-）²．c（Zn ²⁺）；
（2）滤液2中的Mn²⁺被双氧水氧化生成MnO₂时同时生成水；
（3）滤渣B中氢氧化锌与稀硫酸在pH=5时反应生成硫酸锌和水；
（4）从滤液中得到晶体采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤的方法；
（5）电解K₂MnO₄溶液时，阳极上锰酸根离子失电子发生氧化反应、阴极上氢离子放电生成氢气．

解答 解：“锰粉”的主要成分有MnO₂、Zn（OH）₂、MnOOH、碳粉，还含有少量铁盐和亚铁盐，向锰粉中加入浓盐酸并加热，发生反应为MnO₂+4HCl（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O、Zn（OH）₂+2HCl=ZnCl₂+2H₂O、Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑，然后采用过滤方法得到滤渣A和滤液1，滤渣A中含有MnOOH、C，滤液1中含有氯化锰、氯化锌、氯化亚铁等，向滤液中加入少量双氧水，发生反应为Mn²⁺+H₂O₂+2OH^-=MnO₂↓+2H₂O、Fe²⁺+2H⁺+H₂O₂=Fe ³⁺+2H₂O，加入NaOH溶液调节溶液pH=8.0，根据表中数据知，Fe³⁺、Zn²⁺完全沉淀而除去；然后过滤，向滤液2中加入足量NaOH和双氧水，然后过滤得到固体MnO₂；
向滤渣B中加入稀硫酸并调节溶液的pH=5，得到的沉淀是Fe（OH）₃，Zn（OH）₂溶解，过滤得到的滤液4溶液主要成分是硫酸锌，滤渣C是Fe（OH）₃，
（1）根据表中数据知，加入NaOH溶液调节pH=8.0，铁离子和锌离子都转化为氢氧化物沉淀，所以目的是使Fe³⁺、Zn²⁺完全沉淀而除去；
常温下c（OH^-）=10^-6 mol/L，c（Zn ²⁺）=10^-5 mol/L，所以Zn（OH）₂的溶度积常数K_sp[Zn（OH）₂]=c（OH^-）²．c（Zn ²⁺）=（10^-6）².10^-5=1.0×10^-17，
故答案为：使Fe³⁺、Zn²⁺完全沉淀而除去； 1.0×10^-17；
（2）滤液2中的Mn²⁺被双氧水氧化生成MnO₂时同时生成水，离子反应方程式为Mn²⁺+H₂O₂+2OH^-=MnO₂↓+2H₂O，
故答案为：Mn²⁺+H₂O₂+2OH^-=MnO₂↓+2H₂O；
（3）滤渣B中氢氧化锌与稀硫酸在pH=5时反应生成硫酸锌和水，反应方程式为Zn（OH）₂+H₂SO₄=ZnSO₄+2H₂O，
故答案为：Zn（OH）₂+H₂SO₄=ZnSO₄+2H₂O；
（4）从滤液中得到晶体采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤的方法，所以工艺中还可以将滤液4进行蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤得到含结晶水的硫酸盐晶体，
故答案为：蒸发浓缩；冷却结晶；过滤；
（5）电解K₂MnO₄溶液时，阳极上锰酸根离子失电子发生氧化反应、阴极上氢离子放电生成氢气，
电池反应式为2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+2KOH+H₂↑，故答案为：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2KMnO₄+2KOH+H₂↑．

点评 本题考查混合物的分离和提纯，为高频考点，涉及电解原理、离子反应、氧化还原反应、溶度积常数有关计算等知识点，侧重考查基本操作及基本原理，明确实验原理是解本题关键，知道流程图中发生的反应、基本操作，注意（1）中氢氧根离子浓度计算方法，题目难度不大．