Question

工业上以软锰矿为原料，利用烧结烟气中的SO₂制备MnSO₄·H₂O的流程如下：

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。酸浸过程发生反应：Me_mO_n+H⁺→Me^（2n/m）++H₂O，Me表示Fe、 Al、 Zn、 Cu等。25℃时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见下表：        

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

回答下列问题：

（1）酸浸时SO₂将MnO₂还原为MnSO₄，其离子方程式为       　　              。

酸浸时SO₂的吸收率与pH和温度的关系如下图，为提高SO₂的吸收率，酸浸适宜的条件是　　　　　　　                　　。

                

图1： SO₂ 的吸收率与 pH值的关系   　    图2： SO₂的吸收率与温度的关系

（2）滤渣B的主要成分是                  　　   。

（3）加入MnS的目的是              　   　　　　　　   。

（4）操作IV的步骤为　　　　　　、　　　　　　　、过滤、洗涤、干燥。

（5）MnO₂的生产方法之一是以石墨为电极，在不断搅拌情况下，电解酸化的MnSO₄溶液，阳极的电极反应式为：　　　                　　　　　　　　。

（6）已知金属离子浓度小于1.0×10^－5mol/L时认为已经完全沉淀，根据表格数据，计算25℃时Zn(OH)₂溶度积K_sp为             （不需计算过程，计算结果保留两位有效数字）。

Answer

（17分）

（1） MnO2 +SO2= Mn2++SO42－（3分）   pH为3左右、温度为40℃左右（2分）

（2）Fe(OH)3、Al(OH)3   （2分） 

（3）除去Cu2+、Zn2+   （2分）

（4）蒸发浓缩     冷却结晶  （2分）

（5）Mn2+－2e－+2H2O = MnO2+ 4H+  （3分）

（6）1.0×10－17  （3分）

【解析】

试题分析：（1）依题意，二氧化硫是还原剂，二氧化锰是氧化剂，硫酸根离子是氧化产物，锰离子是还原产物，根据元素化合价升降的最小公倍数、电荷和原子个数守恒法配平可得：MnO2 +SO2= Mn2++SO42－；读图可知，其它变量保持不变时，酸浸溶液pH为3左右时，二氧化硫的吸收率最大；其它变量保持不变时，酸浸溶液温度为40℃左右时，二氧化硫的吸收率最大；为了提高二氧化硫的吸收率，酸浸适宜的条件是pH为3左右、温度为40℃左右；（2）酸浸时，二氧化锰被二氧化硫氧化，所得硫酸锰溶于水，而铁的氧化物、铝的氧化物、锌的氧化物、铜的氧化物均溶于硫酸，只有硅的氧化物不溶于硫酸和水，则滤渣A的主要成分是二氧化硅；操作I是过滤，所得滤液主要含有Mn2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、SO42－、H+，酸性条件下通入氧气的目的是除去Fe2+，使亚铁离子完全氧化为铁离子且消耗溶液中的氢离子，发生的反应为4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O，通入氨水中和过量的酸，NH3•H2O+H2SO4=(NH4)2SO4，使溶液的pH增大；读表中金属阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时的pH可得，若调pH至5.4，使Fe3+、Al3+完全沉淀，生成Fe(OH)3、Al(OH)3，则滤渣B的主要成分是Fe(OH)3、Al(OH)3，操作II是过滤，所得滤液的pH约为5.4，主要含有Mn2+、Cu2+、Zn2+、SO42－、NH4+、H+；（3）读表格中金属阳离子以硫化物形式完全沉淀时的pH可得，向pH约为5.4的滤液中加入MnS，加热煮沸时，可以除去Cu2+、Zn2+，且引入Mn2+，既除去杂质又不引入新的杂质；（4）操作III是过滤，滤渣C的主要成分是CuS、ZnS；所得滤液的pH约为5.4，主要含有Mn2+、SO42－、NH4+、H+，从该溶液中分离出MnSO4•H2O的方法是结晶，主要步骤是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；（5）阳极发生氧化反应，反应物中所含元素的化合价升高，由此推断阳极的主要反应物是Mn2+，主要产物是MnO2，根据化合价升高总数等于失去电子数，根据酸性溶液中用氢离子和水使左右电荷、原子守恒，可以书写并配平该阳极反应式：Mn2+－2e－+2H2O = MnO2+ 4H+；（6）氢氧化锌是难溶电解质，存在如下平衡： Zn(OH)2(s)Zn2++2OH－，由于表中氢氧化锌完全沉淀时溶液pH=8.0，25℃时Kw=1.0×10－14，则该溶液中c(H+)=1.0×10－8mol/L，c(OH－)=Kw/ c(H+)=10－6mol/L，由于此时溶液c(Zn2+)=1.0×10－5mol/L，则Ksp[Zn(OH)2(s)]= c(Zn2+)• c2(OH－)= 1.0×10－17，注意保留两位有效数字。

考点：考查物质制备工艺流程，涉及二氧化硫的还原性、二氧化锰的氧化性、氧化还原反应、离子方程式、二氧化硫吸收率与酸浸溶液pH和温度的关系、滤渣B的主要成分、晶体制备的操作步骤、电解法制备二氧化锰的阳极反应式、氢氧化锌沉淀完全时溶液的pH与水的离子积的计算、氢氧化锌溶度积的计算等。