Question

高锰酸钾常用作消毒杀菌、水质净化剂等。某小组用软锰矿(主要含MnO₂,还含有少量SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等杂质)模拟工业制高锰酸钾流程如下。试回答下列问题。

(1)配平焙烧时化学反应：________MnO₂＋________＋________O₂________K₂MnO₄＋________H₂O；工业生产中采用对空气加压的方法提高MnO₂利用率，试用碰撞理论解释其原因___________________________。

(2)滤渣Ⅱ的成分有_________(化学式)；第一次通CO₂不能用稀盐酸代替的原因是_____________。

(3)第二次通入过量CO₂生成MnO₂的离子方程式为________________________。

(4)将滤液Ⅲ进行一系列操作得KMnO₄。

由图可知，从滤液Ⅲ得到KMnO₄需经过__________、___________、洗涤等操作。

(5)工业上按上述流程连续生产。含MnO₂ a%的软锰矿1吨，理论上最多可制KMnO₄____________吨。（保留到小数点后三位）

(6)利用电解法可得到更纯的KMnO₄用惰性电极电解滤液Ⅱ。

①电解槽阳极反应式为________________________________。

②阳极还可能有气体产生，该气体是____________。

Answer

2 4KOH 1 2 2 加压增大了氧气浓度，使单位体积内的活化分子数增加，有效碰撞次数增多，反应速率加快，使MnO2反应更充分 Al(OH)3、H2SiO3 稀盐酸能够溶解Al(OH)3，不易控制稀盐酸的用量 3MnO42-＋4CO2＋2H2O=MnO2↓＋2MnO4-＋4HCO3- 蒸发结晶 趁热过滤 0.018a MnO42--e-=MnO4- O2

【解析】

分析整个流程，将主要成分为MnO2的软锰矿与KOH混合在空气中焙烧，冷却得到固体物质，将固体物质溶于水过滤得到滤渣I和滤液I，滤液I中应含有K2SiO3、KAlO2、K2MnO4等溶质，滤渣I为Fe2O3；向滤液I中第一次通入CO2与K2SiO3、KAlO2发生反应，过滤得到滤渣Ⅱ和滤液Ⅱ，滤渣Ⅱ为Al(OH)3、H2SiO3；滤液Ⅱ含有KHCO3、K2MnO4等溶质；向滤液Ⅱ中第二次通入过量CO2，再次过滤得到滤液Ⅲ和MnO2，则可以推断滤液Ⅲ中含有KMnO4和KHCO3，再经过一系列操作得到较纯的KMnO4，MnO2可以作为循环利用的物质。

(1)在焙烧时MnO2与KOH在空气中O2的作用下反应得到K2MnO4和H2O，反应为氧化还原反应，Mn化合价升高2，O化合价降低2，根据电子转移数守恒，所以在MnO2前面配上2，O2前面配上1，根据Mn元素守恒，在K2MnO4前面配上系数2，再根据K元素守恒，在KOH前面配上4，最后根据H元素守恒，在H2O前面配上2，该反应的化学方程式为：2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+H2O；

工业生产中采用对空气加压的方法提高MnO2利用率，这是由于加压增大了氧气浓度，使单位体积内的活化分子数增加，有效碰撞数增多，反应速率加快，使MnO2反应更充分；

(2)根据上述分析可知滤渣Ⅱ中含有的物质有Al(OH)3，H2SiO3；第一次通CO2不能用稀盐酸代替，这是由于稀盐酸酸性较强，可溶解Al(OH)3变为可溶性的AlCl3，稀盐酸的用量不易控制，时溶液中便会再次混入Al3+；

(3)第二次通入过量CO2生成MnO2，溶液中原先是K2MnO4，再第二次通入过量的CO2时发生歧化反应生成MnO2和KMnO4，此时CO2被转化为HCO3-，该反应为氧化还原反应，则反应的离子方程式为：3MnO42-＋4CO2＋2H2O=MnO2↓＋2MnO4-＋4HCO3-；

(4)将滤液Ⅲ进行一系列操作得KMnO4，此时溶液中还存在KHCO3，根据溶解度随温度变化的图象分析，随着温度升高，二者溶解度均不断增大，在40℃附近时二者溶解度相等，超过这一温度时，KHCO3溶解度不断增大，KMnO4溶解度则增大较缓慢，所以从溶液中提取较纯的KMnO4，需要蒸发结晶，趁热过滤，洗涤等操作；

(5)工业上按上述流程连续生产，含MnO2 a%的软锰矿1吨，理论上第一步完全转化为K2MnO4，第二步转化为KMnO4时则是发生歧化反应，由于歧化反应产物得到MnO2可以循环使用，所以理论最多产量则是根据Mn元素守恒完全生成KMnO4的量，m(KMnO4)==0.018a t；

(6)①电解池中阳极发生氧化反应，用惰性电极电解滤液Ⅱ，滤液Ⅱ中含有MnO42-，MnO42-失去电子变为MnO4-，则阳极的电极反应为：MnO42--e-=MnO4-；

②阳极还可能发生电解水的相关反应，水电离产生的OH-失去电子产生O2，发生的电极反应有2H2O-4e-=O2↑+4H+，因此阳极上产生的气体为O2。