Question

13．软锰矿主要成分为MnO₂，还含有CaCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等杂质．工业上利用软锰矿制取碳酸锰（MnCO₃）流程如图：

其中，还原焙烧主反应为：2MnO₂+C═2MnO+CO₂↑．根据要求回答问题：
（1）步骤D中Fe²⁺被氧化，该反应的离子方程式为2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O．
（2）步骤H的离子方程式为Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（3）加入Na₂S可以除去Pb²⁺、Al³⁺等离子．已知K_sp（PbS）=1×10^-28   K_sp（MnS）=1×10^-9.6，当溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1时，溶液中c（Mn²⁺）允许的最大值为1×10^13.4mol•L^-1．
（4）pH=0的溶液中，不同价态锰的微粒的能量（△G）如图．若某种含锰微粒（如Mn³⁺）的能量处于相邻价态两种微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量连线左上方，则该微粒不稳定并发生歧化反应，转化为相邻价态的微粒．

①MnO₄^2-能否稳定存在于pH=0的溶液中？答：不能（“能”或“不能”）；
②将Mn³⁺歧化反应设计为原电池，可测定反应平衡常数．电池负极反应为Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，平衡常数表达式为$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{2}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$；
③实验室可利用以下反应检验Mn²⁺存在：2Mn²⁺+5S₂O₈^2-+8H₂O→16H⁺+10SO₄^2-+2MnO₄^-确认Mn²⁺存在的现象是溶液呈紫红色；检验时必须控制Mn²⁺浓度和用量不能过大，否则实验失败．理由是过量的Mn²⁺能与反应生成的MnO₄^-反应，影响实验现象的观察．

Answer 1

分析 软锰矿主要成分为MnO₂，还含有CaCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等杂质，还原焙烧主反应为：2MnO₂+C═2MnO+CO₂↑．加入硫酸酸浸过滤后的溶液中加入二氧化锰氧化亚铁离子，加入10%的氢氧化镍溶液调节溶液PH4.5使铁离子全部沉淀，过滤后的滤液中加入Na₂S沉淀重金属离子可以除去Pb²⁺、Al³⁺等离子，滤液中加入碳铵发生复分解反应生成碳酸锰，分离烘干得到成品，
（1）步骤D中酸性溶液中Fe²⁺被MnO₂氧化为铁离子，二氧化锰被还原生成锰离子；
（2）步骤H是硫酸锰和碳酸氢铵反应，碳酸氢根离子过量，所以锰离子结合碳酸根离子生成碳酸锰沉淀，氢离子浓度增大和过量的碳酸氢根离子反应生成二氧化碳气体；
（3）当溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1时沉淀完全，计算硫离子浓度，结合硫化锰溶度积计算锰离子的最大浓度；
（4）①若某种含锰微粒（如Mn³⁺）的能量处于相邻价态两种微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量连线左上方，则该微粒不稳定并发生歧化反应，转化为相邻价态的微粒，则依据图象分析判断，MnO₄^2-在MnO₄^-和MnO₂之间；
②将Mn³⁺歧化反应得到Mn²⁺和MnO₂，2Mn³⁺+2H₂O=MnO₂+Mn²⁺+4H⁺，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积；
③MnO₄^-溶液中呈紫红色，检验时必须控制Mn²⁺浓度和用量不能过大过量的Mn²⁺能与反应生成的MnO₄^-反应，影响实验现象的观察；

解答 解：（1）步骤D中酸性溶液中Fe²⁺被MnO₂氧化为铁离子，二氧化锰被还原生成锰离子，反应的离子方程式为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O，
故答案为：2Fe²⁺+MnO₂+4H⁺═2Fe²⁺+Mn²⁺+2H₂O；
（2）步骤H是硫酸锰和碳酸氢铵反应，碳酸氢根离子过量，所以锰离子结合碳酸根离子生成碳酸锰沉淀，氢离子浓度增大和过量的碳酸氢根离子反应生成二氧化碳气体，反应的离子方程式为：Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案为：Mn²⁺+2HCO₃^-=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（3）已知K_sp（PbS）=1×10^-28，当溶液中c（Pb²⁺）=1×10^-5mol•L^-1时，c（S^2-）=$\frac{1×1{0}^{-28}}{1×1{0}^{-5}}$=10^-23mol/L，K_sp（MnS）=1×10^-9.6，溶液中c（Mn²⁺）允许的最大值=$\frac{1×1{0}^{-9.6}}{1{0}^{-23}}$=1×10^13.4 mol•L^-1，
故答案为：1×10^13.4 mol•L^-1；
（4）①若某种含锰微粒（如Mn³⁺）的能量处于相邻价态两种微粒（Mn²⁺和MnO₂）能量连线左上方，则该微粒不稳定并发生歧化反应，转化为相邻价态的微粒，则依据图象分析判断，MnO₄^2-在MnO₄^-和MnO₂之间，则MnO₄^2-在pH=0的溶液中不能稳定存在，
故答案为：不能；
②将Mn³⁺歧化反应得到Mn²⁺和MnO₂，2Mn³⁺+2H₂O=MnO₂+Mn²⁺+4H⁺，设计为原电池反应，电池负极反应为Mn³⁺失电子发生氧化反应生成Mn²⁺，电极反应为：Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，平衡常数K=
$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{4}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$故答案为：Mn³⁺+2H₂O-e^-=MnO₂+4H⁺，$\frac{c（M{n}^{2+}）{c}^{4}（{H}^{+}）}{{c}^{2}（M{n}^{3+}）}$；
③MnO₄^-溶液中呈紫红色，检验时必须控制Mn²⁺浓度和用量不能过大过量的Mn²⁺能与反应生成的MnO₄^-反应，影响实验现象的观察，
故答案为：溶液呈紫红色；过量的Mn²⁺能与反应生成的MnO₄^-反应，影响实验现象的观察；

点评 本题考查了物质分离提纯和实验基本操作，离子性质、难溶物质溶度积常数的计算、氧化还原反应实质理解，注意图象的理解应用，题目难度中等．