Question

碱性锌锰电池的工作原理:Zn+2MnO₂+2H₂O=2MnO(OH)+Zn(OH)₂,其中的电解质溶液是KOH溶液。某课题组用废旧铁壳无汞碱性锌锰电池为原料,制备一种新型材料Mn_xZn_(1-x)Fe₂O₄,其工艺流程如图所示:

(1)滤液A中溶质的电子式为____________。

(2)已知Mn_xZn_(1-x)Fe₂O₄中锰元素的化合价与实验室用二氧化锰制取氯气时还原产物中锰元素的化合价相同，则铁元素的化合价为_________。

(3)“溶渣”工序中稀硫酸与铁反应生成的硫酸亚铁可将+3价锰的化合物全部还原成Mn²⁺，写出该反应的离子方程式:_____________________________。

(4)“调铁”工序的目的是调整滤液中铁离子的总浓度，使其中金属元素的物质的量之比与产品的化学式Mn_xZn_(1-X)Fe₂O₄相符合。

①写出“调铁"工序中发生反应的离子方程式:_________________,___________________。

②若测得滤液的成分为c(Mn²⁺)+c(Zn²⁺)=amol.L^-1,c(Fe²⁺)+c(Fe³⁺)=bmol.L^-1，滤液体积为1m³,“调铁”工序中，需加入的铁粉质量为________kg(忽略溶液体积变化，用含a、b的代数式表示)。

(5)在“氧化"工序中，加入双氧水的目的是把Fe²⁺氧化为Fe³⁺;生产过程中发现实际消耗双氧水的量大于理论值,其可能原因除温度外，主要是_______________。

(6)用氨水“调pH"后,经“结晶”“过滤”可得到产品和滤液C,从滤液C中还可分离出一种氮肥，该氮肥的溶液中的离子浓度由小到大的顺序为_____________________。

Answer

+3 MnO(OH)+Fe2++3H+=Mn2++Fe3++2H2O Fe+2Fe3+=3Fe2+ Fe+2H+=Fe2++H2↑ 112a-56b 生成的Fe3+催化了双氧水的分解 (OH-)＜c(H+)＜c(SO42-)＜c(NH4+)

【解析】

废旧无汞碱性锌锰电池为原料，制备一种新型材料MnxZn(1-x)Fe2O4，废旧电池加入水浸取过滤得到滤液A和滤渣，滤渣加入过量稀硫酸熔渣后加入铁，稀硫酸与铁反应生成的硫酸亚铁可将+3价锰的化合物全部还原成Mn2+，过滤得到滤渣B和滤液，测定滤液成分，“调铁”工序的目的是调整溶液中铁离子的总浓度，使其中金属元素的物质的量之比与产品的化学式MnxZn(1-x)Fe2O4相符合，加入过氧化氢氧化亚铁离子生成铁离子，用氨水“调pH”后，经“结晶”“过滤”可得到产品和滤液C，从滤液C中还可分离出一种氮肥为硫酸铵，据此解答。

(1)滤液A中溶质是KOH，含有离子键和共价键，电子式为。

(2)已知MnxZn(1-x)Fe2O4中锰元素的化合价与实验室用二氧化锰制取氯气时的还原产物中的锰的化合价相同，可知Mn为+2价，锌+2价、氧元素-2价，则根据化合价代数和为0可知铁元素的化合价为+3；

(3)“溶渣”工序中稀硫酸与铁反应生成的硫酸亚铁可将+3价锰的化合物全部还原成Mn2+，该反应的离子方程式为MnO(OH)+Fe2++3H+=Mn2++Fe3++2H2O。

(4)①“调铁"工序中发生反应的离子方程式为Fe+2Fe3+=3Fe2+、Fe+2H+=Fe2++H2↑。

②n（Mn2+）+n（Zn2+）=a mol•L-1×1000L=1000amol，已有铁元素bmol/L×1000L=1000bmol，由电荷守恒可知MnxZn(1-x)Fe204中含Fe2O42-为1000amol，其中铁元素的物质的量为1000amol×2=2000amol，还需加入铁的物质的量为2000amol-1000bmol，质量为（2000amol-1000bmol）mol×56g/mol=（112a-56b）kg。

(5)在“氧化"工序中，加入双氧水的目的是把Fe2+氧化为Fe3+，生产过程中发现实际消耗双氧水的量大于理论值，其可能原因除温度外，主要是生成的Fe3+催化了双氧水的分解。

(6)用氨水“调pH”后，经“结晶”“过滤”可得到产品和滤液C，从滤液C中还可分离出一种氮肥为硫酸铵，铵根离子水解溶液显酸性，离子浓度为c(OH-)＜c(H+)＜c(SO42-)＜c(NH4+)。