Question

Zn是一种应用广泛的金属。用闪锌矿(主要成分为ZnS，还含有SiO₂和少量FeS、CdS、PbS、砷化合物杂质等)为原料制备金属Zn和ZnSO₄·7H₂O的流程如图所示：

①相关金属离子[c(M^n＋)＝0.1 mol·L^－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

金属离子	Fe^3+	Fe^2+	Zn^2+	Cd^2+
开始沉淀的pH	1.5	6.3	6.2	7.4
沉淀完全的pH	2.8	8.3	8.2	9.4

②FeAsO₄难溶于水；ZnSO₄·7H₂O易溶于水，难溶于酒精。

回答下列问题：

(1)滤渣1的主要成分除SiO₂外还有______，焙烧后产生的气体对环境造成的常见危害为______。

(2)氧化除杂工序中加入ZnO的作用是___________。

(3)制得的ZnSO₄·7H₂O需洗涤，洗涤晶体时应选用的试剂为____________。

(4)溶液中的Cd^2＋可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为___________。不能省去“还原除杂”步骤，直接在“氧化除杂”步骤中除去Cd^2＋，理由是________。

(5)回收所得的Cd可用于制造镍镉碱性二次电池，电池工作时，正极NiO(OH)转化为Ni(OH)₂，则充电时电池的阳极反应式为_____________；沉积锌后的电解液可返回______工序继续使用。

(6)酸浸液中砷元素以AsO₃^3－存在，在氧化除杂时加入酸性KMnO₄溶液，KMnO₄可与AsO₃^3－发生反应生成FeAsO₄，写出该反应的离子方程式为___________。

Answer

PbSO4 酸雨 调节溶液的pH使Fe3+沉淀完全 酒精（或饱和硫酸锌溶液） Zn+Cd2+= Zn2++Cd 在氧化除杂工序中加ZnO是为了调节溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要调节为9.4，此时Zn2+也会完全沉淀 Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O 酸浸 5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O

【解析】

焙烧过程中发生的反应有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙烧过程中生成的气体是SO2，焙烧后的主要成分变为ZnO，还存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，发生一系列反应，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO与稀硫酸反应分别生成硫酸锌、硫酸铁、硫酸铅、硫酸镉，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下来，所以滤渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除杂工序中加入ZnO的作用是调节溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全转化为氢氧化铁沉淀，且不引入杂质，加入酸性高锰酸钾溶液能使溶液中的Fe2+转变为Fe3+，有利于除杂，同时根据第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除杂时加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可与AsO33－发生反应生成FeAsO4，可知滤渣2为Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）问可知，还原除杂工序加入锌粉，可以还原Cd2+为金属Cd，则滤渣3为Cd以及过量的锌粉，则得到的滤液为含硫酸锌的溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥、得到ZnSO4·7H2O，经过电解得到金属Zn，据此分析解答。

焙烧过程中发生的反应有2ZnS+3O22ZnO+2SO2、4FeS+7O22Fe2O3+4SO2、2PbS+3O22PbO+2SO2、2CdS+3O22CdO+2SO2，焙烧过程中生成的气体是SO2，焙烧后的主要成分变为ZnO，还存在少量的SiO2、Fe2O3、PbO、CdO，加稀硫酸后，发生一系列反应，ZnO、Fe2O3、PbO、CdO与稀硫酸反应分别生成硫酸锌、硫酸铁、硫酸铅、硫酸镉，其中SiO2和PbSO4不溶于水，以沉淀的形式沉降下来，所以滤渣1的主要成分是SiO2和PbSO4，氧化除杂工序中加入ZnO的作用是调节溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全转化为氢氧化铁沉淀，且不引入杂质，加入酸性高锰酸钾溶液能使溶液中的Fe2+转变为Fe3+，有利于除杂，同时根据第（6）酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除杂时加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可与AsO33－发生反应生成FeAsO4，可知滤渣2为Fe(OH)3、FeAsO4，由第（4）问可知，还原除杂工序加入锌粉，可以还原Cd2+为金属Cd，则滤渣3为Cd以及过量的锌粉，则得到的滤液为含硫酸锌的溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥、得到ZnSO4·7H2O，经过电解得到金属Zn，

(1)由以上分析可知，滤渣1的主要成分除SiO2外还有PbSO4；焙烧后产生的气体为SO2，其对环境造成的常见危害为酸雨，故答案为：PbSO4；酸雨；

(2)由以上分析知，氧化除杂工序中加入ZnO的作用是调节溶液的pH在2.8~6.2，使Fe3+完全转化为氢氧化铁沉淀，且不引入杂质，故答案为：调节溶液的pH使Fe3+沉淀完全；

(3)已知ZnSO4·7H2O易溶于水，难溶于酒精，则为了减少洗涤过程中晶体的损失，可以用酒精或者饱和硫酸锌溶液洗涤晶体，故答案为：酒精（或饱和硫酸锌溶液）；

(4)还原除杂工序加入锌粉，可以还原Cd2+为金属Cd，从而除去Cd，发生反应的离子方程式为Zn+Cd2+= Zn2++Cd；根据Cd2+、Zn2+沉淀的pH可知，若直接在“氧化除杂”步骤中除去Cd2＋，溶液的pH至少需要调节为9.4，此时Zn2+也会完全沉淀，因此需要在“还原除杂”步骤中除去Cd2+，故答案为：Zn+Cd2+= Zn2++Cd；在氧化除杂工序中加ZnO是为了调节溶液pH，若要完全除去Cd2+，溶液的pH至少需要调节为9.4，此时Zn2+也会完全沉淀；

(5)电池工作时，正极NiO(OH)转化为Ni(OH)2，则放电时，正极反应式为：NiO(OH)+H2O+ e- = Ni(OH)2 +OH-，充电时，阳极发生的反应为放电时正极反应的逆过程，则阳极反应式为：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；电解硫酸锌溶液制备锌单质时，阴极锌离子得电子析出金属锌，阳极为水电离出的氢氧根离子放电，电极反应式为：2H2O-4e- =O2↑+4H+，则电解后溶液生成稀硫酸，所以沉积锌后的电解液可返回酸浸工序继续使用，故答案为：Ni(OH)2-e- +OH- = NiO(OH)+H2O；酸浸；

(6)已知酸浸液中砷元素以AsO33－存在，在氧化除杂时加入酸性KMnO4溶液，KMnO4可与AsO33－发生反应生成FeAsO4，As的化合价根据得失电子守恒，电荷守恒、元素守恒，写出该反应的离子方程式为5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O，故答案为：5Fe2+ + 5AsO33- +3MnO4- + 14H+ = 3Mn2+ +5FeAsO4↓+7H2O。