Question

我国电池的年市场消费量约为80亿只，其中70%是锌锰干电池，利用废旧锌锰干电池制备硫酸锌晶体(ZnSO₄·7H₂O)和纯MnO₂的工艺如下图所示：

已知：

①锌皮的主要成分为Zn，含有少量Fe；炭包的主要成分为ZnCl₂、NH₄Cl、MnO₂、碳粉等，还含有少量的 Cu、Ag、Fe 等。

②K_sp[Zn(OH)₂]=2.0×10^-16；K_sp[Fe(OH)₂]=8.0×10^-16；K_sp[Fe(OH)₃]=4.0×10^-38。

(1)除去炭包中碳粉的操作为_____________。

A.酸浸    B.过滤    C.焙炒        D.焙烧

(2)粗MnO₂转化为MnSO₄时，主要反应的离子方程式为_____________________。

(3)焙烧时发生反应的化学方程式为_____________。

(4)制备硫酸锌晶体流程中，用ZnO调节溶液pH的目的是______________________________，若溶解时不加H₂O₂带来的后果是____________________。

(5)“草酸钠-高锰酸钾返滴法”可测定MnO₂的纯度：取agMnO₂样品于锥形瓶中，加入适量稀硫酸，再加入V₁mLc₁mol·L^-1Na₂C₂O₄溶液(足量)，最后用c₂mol·L^-1的KMnO₄溶液滴定剩余的Na₂C₂O₄，达终点时消耗V₂ mL标准KMnO₄溶液。

①MnO₂参与反应的离子方程式为_____________。

②该样品中MnO₂的质量分数为__________________(假定杂质不参与反应，列出表达式即可)。

Answer

C MnO2+H2O2+2H+=Mn2++O2↑+2H2O 2MnCO3+O22MnO2+2CO2 除去溶液中的Fe3+杂质 Fe2+与Zn2+不能分离[或当Fe(OH)2沉淀完全时，Zn(OH)2也沉淀完全] MnO2+4H++C2O42-=Mn2++2CO2↑+2H2O ×100%

【解析】

废旧电池拆解后，锌皮中的锌和铁在稀硫酸中溶解，铁和稀硫酸生成Fe2+，被H2O2氧化为Fe3+，再加ZnO调节溶液的PH，使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去，得到的硫酸锌溶液经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到ZnSO4·7H2O。炭包中的ZnCl2、NH4Cl、Cu、Ag、Fe 等溶于稀硝酸，而MnO2和碳粉不溶，过滤后把滤渣焙炒，碳粉被空气中的氧气氧化为二氧化碳除去，粗MnO2在硫酸和H2O2的共同作用下转化为MnSO4，在MnSO4溶液中加入Na2CO3溶液，得到MnCO3沉淀，再焙烧MnCO3，使之被空气中的氧气氧化为纯MnO2。

（1）炭包的主要成分为ZnCl2、NH4Cl、MnO2、碳粉等，还含有少量的 Cu、Ag、Fe 等，ZnCl2、NH4Cl、Cu、Ag、Fe 等溶于稀硝酸，而MnO2和碳粉不溶，过滤后把滤渣焙炒，碳粉被空气中的氧气氧化为二氧化碳除去，所以除去碳粉可以采用焙炒的方法，焙烧时，炭包内部的碳比较难与氧气反应除去，正确答案：C。

（2）粗MnO2在硫酸、H2O2作用下生成MnSO4，即MnO2+H2O2→MnSO4，反应过程中MnO2被还原，则H2O2被氧化生成O2，配平该反应为：MnO2+H2O2+2H+=Mn2++O2↑+2H2O。正确答案：MnO2+H2O2+2H+=Mn2++O2↑+2H2O。

（3）上述生成的MnSO4加入Na2CO3后“沉锰”生成MnCO3沉淀，焙烧后生成MnO2，即MnCO3→MnO2，Mn元素被氧化，所以空气中O2作为氧化剂参加了该反应，配平该反应为：2MnCO3+O22MnO2+2CO2。正确答案：：2MnCO3+O22MnO2+2CO2。

（4）锌皮的主要成分为Zn，含有少量Fe，所以加入硫酸溶解并用H2O2氧化后，溶液中主要存在ZnSO4、Fe2(SO4)3、H2SO4，因此加入的ZnO与H2SO4反应使溶液酸性减弱，从而使Fe3+生成Fe(OH)3沉淀除去。已知Ksp[Zn(OH)2]=2.0×10-16；Ksp[Fe(OH)2]=8.0×10-16；Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，由于Zn(OH)2与Fe(OH)2的溶度积相差不大，所以沉淀Fe2+时Zn2+必然同时生成沉淀。若溶解时不加H2O2，溶液中主要存在ZnSO4、FeSO4、H2SO4，因此用ZnO反应过量H2SO4调节溶液pH使Fe2+沉淀时，Zn2+必然同时生成Zn(OH)2沉淀。正确答案：除去溶液中的Fe3+、Fe2+与Zn2+不能分离（或当Fe(OH)2沉淀完全时，Zn(OH)2也沉淀完全）。

（5）纯度测定前半段，MnO2氧化Na2C2O4生成Mn2+和CO2，即MnO2+C2O42-→Mn2++CO2↑，配平该反应得MnO2+4H++C2O42-=Mn2++2CO2↑+2H2O。剩余的Na2C2O4被KMnO4氧化生成Mn2+和CO2，即MnO4-+C2O42-→Mn2++CO2↑，配平得2MnO4-+5C2O42-+16H+=2Mn2++5CO2↑+8H2O。则根据氧化还原反应电子守恒得，，MnO2质量分数为。正确答案：MnO2+4H++C2O42-=Mn2++2CO2↑+2H2O、。