Question

磁性材料产业是21 世纪各国竞相发展的高科技支柱产业之一，碳酸锰(MnCO₃)可制造电信器材的软磁铁氧体。工业上利用软锰矿(主要成分为 MnO₂，含少量SiO₂、Fe₂O₃、CuO 等杂质)和含SO₂的烟气为主要原料制备无水碳酸锰的工艺流程如下：

已知：①MnCO₃难溶于水和乙醇，潮湿时易被空气氧化，100℃ 时开始分解。

②不同金属离子生成氢氧化物沉淀的 pH 和有关物质的 K_sp 如下表：

离子	Fe^3+	Fe^2+	Cu^2+	Mg^2+
开始沉淀的pH	2.7	7.5	4.2	7.8
沉淀完全的pH	3.7	9.7	6.7	9.8
物质	MnS	CaF2	CuS
Ksp	2.5×10^-13	1.5×10^-10	1.3×10^-36

回答下列问题：

(1)为提高“溶浸”过程中的浸取速率，以下方法不能提高浸取速率的是________。

A.将矿石研磨粉碎      B.连续搅拌   C.延长浸取时间   D.升高温度   E.适当增大稀硫酸的浓度

“溶浸”过程中往往有副产物MnS₂O₆ 生成，温度对“溶浸”反应的影响如下图所示， 为减少MnS₂O₆的生成，“溶浸”的适宜温度应大于___。

(2)“除铁”步骤中，在加入石灰调节溶液的pH前，加入适量的软锰矿，发生反应的离子方程为____。

(3) “净化”步骤的目的是除去溶液中的Ca²⁺、Cu²⁺等杂质。若测得滤液中 c(F^-)=0.02mol•L^-1，则滤液中残留的c(Ca²⁺) =__。

(4) “沉锰”步骤中 ，加入 NH₄HCO₃后有无色无味的气体放出， 发生反应的离子方程式为______。

(5)从“沉锰”步骤中要得到纯净无水MnCO₃，先将析出的 MnCO₃沉淀过滤，再用_______(填化学式)洗涤更易于干燥。过滤后废液的主要成分为____(填化学式)。

(6)实际生产中， 运用阴离子交换膜法电解得到金属锰，电解装置如下图所示，B电极为直流电源的_________极。该工艺若不使用离子交换膜， 会造成Mn²⁺发生副反应生成 MnO₂， 写出该副反应的电极反应式_______。

Answer

C 90℃ MnO2＋2Fe2++4H+＝2Fe3++Mn2++2H2O 3.75×10-7 mol•L-1 Mn2+ + 2＝ MnCO3 ↓+ CO2↑+ H2O C2H6O (NH4)2SO4 负极 Mn2+＋2H2O-2e-＝MnO2＋4H+

【解析】

“溶浸”时，SiO2不溶于稀硫酸，通过过滤除去，所得溶液含H+、Mn2+、Fe2+、Cu2+、SO42-等离子；

“溶浸”所得溶液通过“除铁”将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀，然后过滤除去；

“除铁”后所得溶液通过“净化”将Ca2+、Cu2+转化为CaF2、CuS沉淀，然后过滤除去；

“净化”所得溶液主要含Mn2+、NH4+、SO42-，通过“沉锰”得到MnCO3，再经过滤、洗涤、烘干获得无水MnCO3，据此解答。

(1)A．将矿石研磨粉碎，可以增大反应物的接触面积，从而提高浸取速率，A不满足题意；

B．连续搅拌可以增大反应物的接触面积，从而提高浸取速率，B不满足题意；

C．延长浸取时间不能提高浸取速率，C满足题意；

D．升高温度可以加快反应速率，从而提高浸取速率，D不满足题意；

E．增大反应物的浓度，可以加快反应速率，从而提高浸取速率，E不满足题意；

由图可知，温度高于90℃，副产物MnS2O6的百分率低且随温度升高百分率几乎不再变化，故答案为：C；90℃；

(2)软锰矿的主要成分为MnO2，具有较强的氧化性，将“溶浸”所得的Fe2+氧化物Fe3+，发生反应的离子方程式为：MnO2＋2Fe2++4H+＝2Fe3++Mn2++2H2O，故答案为：MnO2＋2Fe2++4H+＝2Fe3++Mn2++2H2O；

(3)Ksp(CaF2)=c(Ca2+)×c2(F-)，所以c(Ca2+) =mol•L-1=3.75×10-7mol•L-1，故答案为：3.75×10-7mol•L-1；

(4)“沉锰”时加入NH4HCO3后有无色无味的气体放出，根据元素守恒可知该气体为CO2，所以“沉锰”发生反应的离子方程式为Mn2++ 2＝MnCO3↓+ CO2↑+ H2O，故答案为：Mn2++ 2＝MnCO3↓+ CO2↑+ H2O；

(5)MnCO3难溶于水和乙醇，潮湿时易被空气氧化，且乙醇易挥发，洗涤后更容易干燥，所以应用乙醇洗涤，乙醇化学式为C2H6O，整个流程来看，NH4+、SO42-未除去，所以过滤出MnCO3沉淀后废液主要成分为(NH4）2SO4，故答案为：C2H6O；(NH4）2SO4；

(6)由图可知，电解质溶液中的阴离子向左边电极移动，左边电极为阳极，A为电源的正极，B为电源的负极，结合电荷守恒可得Mn2+发生副反应的离子方程式为：Mn2+＋2H2O-2e-＝MnO2＋4H+，故答案为：负极；Mn2+＋2H2O-2e-＝MnO2＋4H+。