Question

18．锰是冶炼工业中常用的添加剂．以碳酸锰矿（主要成分为MnCO₃，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质）为原料生产金属锰的工艺流程如下：

已知25℃，部分物质的溶度积常数如下：

物质	Mn（OH）2	Co（OH）2	Ni（OH）2	MnS	CoS	NiS
Ksp	2.1×10-13	3.0×10-16	5.0×10-16	1.0×10-11	5.0×10-22	1.0×10-22

（1）步骤Ⅰ中，MnCO₃与硫酸反应的化学方程式是MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O．
（2）步骤Ⅱ中，MnO₂在酸性条件下可将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺，则该反应过程中的离子方程式是MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，加氨水调节溶液的pH为5.0-6.0，以除去Fe³⁺．
（3）步骤Ⅲ中，滤渣2的主要成分是CoS和NiS．
（4）步骤Ⅳ中，在阴（填“阴”或“阳”）极析出Mn，电极反应方程式为Mn²⁺+2e^-=Mn．
（5）已知：S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=a kJ•mol^-1
Mn（s）+S（s）+2O₂（g）=MnSO₄（s）△H=b kJ•mol^-1
MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=c kJ•mol^-1，则Mn的燃烧热△H=-（ a+c-b） kJ•mol^-1．
（6）按照图示流程，含MnCO₃质量分数为57.5%的碳酸锰矿a kg，最终得到Mn的质量为110b kg，忽略中间过程的损耗，则除杂质时，所引入的锰元素相当于MnO₂174b-0.435akg．[MnCO₃摩尔质量115g/mol，MnO₂摩尔质量87g/mol]．

Answer 1

分析 向碳酸锰矿（主要成分为MnCO₃，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质）中加入硫酸，可以发生反应生成硫酸盐，向其中就如具有氧化性的二氧化锰，可以将亚铁离子氧化为铁离子，调节pH可以将氢氧化铁沉淀下来，向滤液中加入硫化铵，可以将镍离子、钴离子形成硫化物沉淀下来，最后对得到的含有锰离子的盐电解，可以得到金属锰．
（1）加稀硫酸时样品中的MnCO₃和硫酸反应生成可溶性的MnSO₄，并产生二氧化碳和水；
（2）据得失电子守恒有MnO₂+2Fe²⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，再据电荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺--Mn²⁺+2Fe³⁺，最后据原子守恒得MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（3）由于在第一次过滤之后的滤液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根据各物质的溶度积常数可确定有CoS和NiS沉淀（滤渣2）生成；
（4）由于第二次过滤后的滤液中主要含有NiSO₄，电解该溶液时Ni²⁺在阴极上被还原：Mn²⁺+2e^-=Mn；
（5）Mn的燃烧热是1molMn完全燃烧生成稳定氧化物MnO₂（s）放出的热量，结合热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（6）按照图示流程，含MnCO₃质量分数为57.5%的碳酸锰矿a kg，最终得到Mn的质量为110b kg，忽略中间过程的损耗，除杂质时，所引入的锰元素和原来碳酸锰中锰元素总和为110b kg，据此列式计算；

解答 解：（1）加稀硫酸时样品中的MnCO₃和硫酸反应生成可溶性的MnSO₄，并产生二氧化碳和水，步骤Ⅰ中，MnCO₃与硫酸反应的化学方程式为：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
故答案为：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O；
（2）步骤Ⅱ中，MnO₂在酸性条件下可将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺，反应的离子方程式是据得失电子守恒有MnO₂+2Fe²⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，再据电荷守恒有MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺-Mn²⁺+2Fe³⁺，最后据原子守恒得，MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（3）由于在第一次过滤之后的滤液中含有Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，向其中加入（NH₄）₂S，根据各物质的溶度积常数可确定有CoS和NiS沉淀（滤渣2）生成；
故答案为：CoS和NiS；
（4）由于第二次过滤后的滤液中主要含有NiSO₄，电解该溶液时Ni²⁺在阴极上被还原：Mn²⁺+2e^-=Mn；
故答案为：阴，Mn²⁺+2e^-=Mn；
（5）①S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=a kJ•mol^-1
②Mn（s）+S（s）+2O₂（g）=MnSO₄（s）△H=b kJ•mol^-1
③MnO₂（s）+SO₂（g）=MnSO₄（s）△H=c kJ•mol^-1，则Mn的燃烧热
盖斯定律计算得到②-①-③得到Mn（s）+O₂（g）=MnO₂（s）△H=-（ a+c-b）kJ•mol^-1
 故答案为：-（a+c-b） kJ•mol^-1；
（6）按照图示流程，含MnCO₃质量分数为57.5%的碳酸锰矿a kg，最终得到Mn的质量为110b kg，忽略中间过程的损耗，除杂质时，所引入的锰元素和原来碳酸锰中锰元素总和为110b kg，设引入的锰元素相当于MnO₂物质的量为x，
$\frac{a×57.5%}{115}$+x=$\frac{110b}{55}$
x=$\frac{110b}{55}$-$\frac{a×57.5%}{115}$
相当于MnO₂质量=（$\frac{110b}{55}$-$\frac{a×57.5%}{115}$）×87=（174b-0.435a ）kg
故答案为：174b-0.435a；

点评 本题考查了物质分离的流程分析，物质性质，分离提纯物质的实验设计和本质分析应用，掌握基础是关键，题目难度中等．