Question

软锰矿中含MnO₂约70%，SiO₂约20%，Al₂O₃约4%，其余为水分；闪锌矿中含ZnS约80%，FeS、CuS、SiO₂共约7%，其余为水分。科研人员开发了综合利用这两种资源的同槽酸浸工艺，制取Zn、MnO₂和Na₂SO₄。其工艺流程如下：

（1）I的滤液中含有MnSO₄、ZnSO₄、CuSO₄、Fe₂(SO₄)₃、Al₂(SO₄)₃等。写出MnO₂、CuS与硫酸反应的化学方程式：                                                ；

（2）已知Fe(OH)₃、Al(OH)₃、Zn(OH)₂三种物质开始沉淀和完全沉淀时溶液的pH如下表：

沉淀物	Fe(OH)3	Al(OH)3	Zn(OH)2
开始沉淀pH	2.3	4.0	5.6
完全沉淀pH	4.1	5.2	8.0

则III中调节溶液的pH至5.2～5.4，此时生成沉淀M的成分为           （写化学式），III中加入MnO₂的作用是                                             ；

（3）Na₂SO₄和Na₂SO₄·10H₂O的溶解度曲线（g/100g水）如图，则IV中得到Na₂SO₄固体的操作是：将分离出MnCO₃和ZnCO₃后的滤液升温结晶、            、用乙醇洗涤后干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是                      ；

（4）V是用惰性电极电解制得Zn和MnO₂，则阳极的电极反应式为                     ；

（5）绿色化学思想在本工艺中得到了充分体现，在本工艺流程中可循环使用的主要物质有：MnO₂、ZnCO₃、MnCO₃、        和       （写化学式）。

Answer

（16分）

（1）MnO2 + CuS+ 2H2SO4 =S + MnSO4 + CuSO4+2H2O（3分）

（2）Fe(OH)3、Al(OH)3（各1分）  将Fe2+氧化成Fe3+（2分）

（3）趁热过滤（2分）    防止形成 Na2SO4·10H2O（2分）

（4）Mn2+—2e－+2H2O = MnO2+4H+（3分）

（5）Zn、H2SO4（各1分）

【解析】

试题分析：（1）依题意，MnO2、CuS、H2SO4反应生成MnSO4、CuSO4、S、H2O，锰元素由+4降为为+2价，硫元素由—2升为0价，根据最小公倍数法配平，则该反应为MnO2+CuS+2H2SO4=S+MnSO4+CuSO4+2H2O；（2）根据表中信息，若溶液pH调至5.2～5.4，则溶液中的铁离子、铝离子都被完全除去，分别变为氢氧化铁沉淀、氢氧化铝沉淀，所以沉淀M的成分为Fe(OH)3、Al(OH)3；II中加入适量Zn，充分反应后过滤，得到Cu，由此推断发生的反应为Zn+Cu2+=Zn2++Cu、Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，则II的滤液中无铁离子，只有亚铁离子，为了将亚铁离子除去，需要先将其氧化为铁离子，再调节溶液pH将其完全变为氢氧化铁沉淀，因此III中加入的二氧化锰是将Fe2+氧化成Fe3+的氧化剂，即MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O；（3）读图，硫酸钠的溶解度随温度降低逐渐增大，而十水硫酸钠的溶解度随温度降低明显减小，由此说明从IV溶液中制取硫酸钠固体的方法是蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥，而制取十水硫酸钠固体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥；用乙醇洗涤硫酸钠固体时，不会析出十水硫酸钠，用水洗涤硫酸钠固体时，随着温度的降低，硫酸钠溶解度增大，容易洁净析出十水硫酸钠固体；（4）电解前，V溶液中含有锌离子、锰离子，由此推断电解时锌元素由+2降为0价，得到电子，发生还原反应，说明Zn是阴极产物；锰元素由+2升为+4价，失去电子，发生氧化反应，说明二氧化锰是阳极产物，即Mn2+—2e－→MnO2；左边带4个正电，右边不带电，呈酸性的V溶液中只能用氢离子使左右电荷守恒，则Mn2+—2e－→MnO2+4H+；左边比右边少4H、2O，根据原子个数守恒可得阳极反应式：Mn2+—2e－+2H2O=MnO2+4H+；（5）根据流程图中主要步骤的反应物和生成物推断，V的生成物有二氧化锰、锌、硫酸，它们分别是III、II、I的反应物，IV产生的碳酸锌是III的反应物，它们都可以循环利用。

考点：考查物质制备的化学工艺流程，涉及氧化还原反应方程式的配平、滤渣的成分、解释加入试剂的目的、根据溶解度曲线推断制取晶体的操作方法、解释采取某措施的原因、阳极反应式、可以循环利用的物质等。