Question

二氧化锰不仅是活性好的催化剂，也被广泛用作干电池的正极材料。某化学小组设计用高硫锰矿(主要成分为锰的化合物和硫化亚铁)为原料制取二氧化锰的工艺流程如图：

已知：①“混合焙烧”后的烧渣含MnSO₄、Fe₂O₃及少量FeO、MgO、Al₂O₃

②在该条件下，金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表：

金属离子	Fe^3+	Fe^2+	Al^3+	Mn^2+
开始沉淀	1.8	6.8	4.0	7.5
完全沉淀	3.2	8.0	5.0	8.4

(1)写出浸出时与铝元素有关的离子反应方程式____。

(2)上述“氧化”步骤是否可省略____(填“是”或“否”)，你的依据是 _____。

(3)“调pH除铁铝’’时，生成沉淀的pH范围为____；“氟化除杂”中除去的离子为____。

(4)请用平衡移动原理解释除杂处理后的Mn²⁺用NH₄HCO₃转化成MnCO₃沉淀的过程___(用文字和离子方程式表达)。

(5)用惰性电极电解MnSO₄制备MnO₂时，其阳极反应式为____；整个流程中能够循环利用的物质除MnO₂外还有___(写名称)。

Answer

Al2O3+6H+=3H2O+2Al3+ 否 若不进行氧化，则Fe2+被完全沉淀的pH为8.0，此时Mn2+也会被部分沉淀，造成损失 5.0≤pH＜7.5 Mg2+、Ca2+ 加入NH4HCO3后，Mn2+与HCO3-电离出的CO32-生成MnCO3，HCO3-⇌H++ CO32-、Mn2++CO32-⇌MnCO3，HCO3-电离出H+与另一部分HCO3-反应生成H2O和CO2，促进上述两个平衡正向移动，从而生成MnCO3沉淀 Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+ 硫酸

【解析】

高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿混合焙烧，得到MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO，加入硫酸，得到Mn2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+、Al3+的酸性溶液，加入二氧化锰将亚铁离子氧化为铁离子便于除去，再加入碳酸钙中和，将铁离子与铝离子以氢氧化物的形式除去，加入MnF2除杂，使溶液中的Mg2+、Ca2+沉淀完全，此时溶液中的金属离子为锰离子，加入碳酸氢铵发生Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O，加入硫酸溶解碳酸锰得到硫酸锰溶液，经过电解得到二氧化锰，据此分析解答。

(1)浸出时Al2O3与硫酸反应生成硫酸铝，与铝元素有关的离子反应方程式为：Al2O3+6H+=3H2O+2Al3+；

(2)根据沉淀表格数据，若不进行氧化，则Fe2+被完全沉淀的pH为8.0，此时Mn2+也会被部分沉淀，造成损失，则上述“氧化”步骤不可省略；

(3)“调pH除铁铝’’时，根据数据，pH为5.0时铝离子完全沉淀，pH为7.5时锰离子开始沉淀，则生成沉淀的pH范围为5.0≤pH＜7.5；根据分析，“氟化除杂”中加入MnF2除杂，使溶液中的Mg2+、Ca2+沉淀完全，除去的离子为Mg2+、Ca2+；

(4)加入NH4HCO3后，Mn2+与HCO3-电离出的CO32-生成MnCO3，HCO3-⇌H++ CO32-、Mn2++CO32-⇌MnCO3，HCO3-电离出H+与另一部分HCO3-反应生成H2O和CO2，促进上述两个平衡正向移动，从而生成MnCO3沉淀；

(5)用惰性电极电解MnSO4制备MnO2时，其阳极发生氧化还原，化合价升高失电子，锰元素由+2价升高为+4价，失电子被氧化，则阳极反应式为Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+；硫酸根离子与氢离子结合生成硫酸，则整个流程中能够循环利用的物质除MnO2外还有硫酸。