Question

7．二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料．工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备高纯二氧化锰的流程如图1：

某软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si（16.27%）、Fe（5.86%）、Al（3.42%）、Zn（2.68%）和Cu（0.86%）等元素的化合物．部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH如表，回答下列问题

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Mn（OH）2	Cu（OH）2	Zn（OH）2	CuS	ZnS	MnS	FeS
pH	5.2	3.2	9.7	10.4	6.7	8.0	≥-0.42	≥2.5	≥7	≥7

（1）硫酸亚铁在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为MnO₂+2FeSO₄+2H₂SO₄═MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O．
（2）滤渣A的主要成分是SiO₂；滤渣B的主要成分是Fe（OH）₃、Al（OH）₃．
（3）加入MnS的目的是除去Cu²⁺、Zn²⁺杂质．可能原因是CuS、ZnS的溶解度较MnS小．
（4）碱性锌锰电池是一种一次性电池，其结构如图2所示．该电池放电过程产生MnOOH．该电池的正极反应式为MnO₂+H₂O+e^-═MnO（OH）+OH^-，电池总反应的方程式为Zn+2MnO₂+2H₂O═2MnOOH+ZnOH）₂．
（5）利用该碱性锌锰电池电解NO制备NH₄NO₃，其工作原理如图3所示，X电极阴极，电解时阳极的电极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充物质A，A是NH₃．

Answer 1

分析 软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，所以酸浸后的滤液中的金属阳离子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由离子开始沉淀及沉淀完全的pH可知，调节pH为5.4，将Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化锰将Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，滤液为硫酸锰溶液，再通过系列变化得到高纯度的二氧化锰，
（1）根据FeSO₄在反应条件下将MnO₂还原为MnSO₄，则Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，故酸浸时生成硫酸锰、硫酸铁，根据元素守恒还有水生成；
（2）由题目信息可知，酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH进行判断；
（3）根据工艺流程及硫化物的K_sp判断；
（4）在反应中Zn元素化合价升高，被氧化，Zn为负极反应，Mn元素化合价降低，被还原，MnO₂为正极反应，依据电荷守恒和电子守恒书写电极反应，结合正负极电极反应得到反应的总化学方程式；
（5）工业上电解NO制备 NH₄NO₃，由装置图可知阳极发生氧化反应，NO被氧化生成NO₃^-，阴极发生还原反应，NO被还原生成NH₄⁺，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，依据电解方程式判断解答．

解答 解：软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，所以酸浸后的滤液中的金属阳离子主要是Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，由离子开始沉淀及沉淀完全的pH可知，调节pH为5.4，将Fe³⁺、Al³⁺沉淀，加入硫化锰将Cu²⁺、Zn²⁺沉淀，滤液为硫酸锰溶液，再通过系列变化得到高纯度的二氧化锰，
（1）FeSO₄在反应条件下将MnO₂还原为MnSO₄，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，故酸浸时生成硫酸锰、硫酸铁，根据元素守恒还有水生成，反应方程式为2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O，
故答案为：2FeSO₄+MnO₂+2H₂SO₄=MnSO₄+Fe₂（SO₄）₃+2H₂O；
（2）软锰矿的主要成分为MnO₂，还含有Si、Fe、Al、Zn和Cu等元素的化合物，硫酸亚铁在酸性条件下将MnO₂还原为MnSO₄，所以酸浸后硅不反应，滤渣A为SiO₂，酸浸后的过滤液中含有Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺，加氨水调pH至5.4，结合题中阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH可知，Fe³⁺、Al³⁺完全转化为Fe（OH）₃和Al（OH）₃沉淀，其它离子不沉淀，故滤渣B的主要成分为Fe（OH）₃和Al（OH）₃，
故答案为：SiO₂，Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
（3）由题中硫化物的K_sp可知，加入MnS是为了生成溶解度更小的CuS、ZnS而除去Cu²⁺、Zn²⁺，
故答案为：CuS、ZnS的溶解度较MnS小；
（4）在反应中Zn元素化合价升高，被氧化，Zn为负极反应，负极电极反应式为Zn+2OH^--2e^-═Zn（OH）₂，Mn元素化合价降低，被还原，MnO₂为正极反应，正极反应式为MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-，反应的化学方程式为：Zn+2MnO₂+2H₂O═2MnOOH+ZnOH）₂
故答案为：MnO₂+H₂O+e^-═MnOOH+OH^-，Zn+2MnO₂+2H₂O+2e^-═2MnOOH+ZnOH）₂；
（5）离子移动方向可知X为阴极，Y为阳极，电解NO制备NH₄NO₃，Y阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，X阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为5NO-15e^-+10H₂O=5NO₃^-+20H^-，阴极反应为：3NO+15e^-+18H⁺=3NH₄⁺+3H₂O，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃，反应生成硝酸溶液显酸性；
故答案为：阴，NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，NH₃；

点评 本题考查学生对元素及其化合物的主要性质的掌握、书写电极反应方程式、阅读题目获取新信息能力、对工艺流程的理解等，难度中等，需要学生具备扎实的基础与综合运用知识、信息分析解决问题能力．