Question

【題目】錳是一種非常重要的金屬元素，在很多領域有著廣泛的應用。利用廢鐵屑還原浸出低品位軟錳礦制備硫酸錳，然后進行電解，是制備金屬錳的新工藝，其流程簡圖如下：

已知：

i. 低品位軟錳礦主要成份有MnO2、Al2O3、Fe2O3、Cu2(OH)2CO3、CaCO3、SiO2等。

ii. 部分金屬離子以氫氧化物沉淀時的pH

	Fe2+	Fe3+	Al3+	Mn2+	Cu2+
開始沉淀的pH	6.8	1.8	3.7	8.6	5.2
沉淀完全的pH	8.3	2.8	4.7	10.1	6.7

iii. 幾種化合物的溶解性或溶度積(Ksp)

MnF2	CaS	MnS	FeS	CuS
溶于水	溶于水	2.5×10－13	6.3×10－18	6.3×10－36

(1)研究表明，單質Fe和Fe2+都可以還原MnO2。在硫酸存在的條件下，MnO2將Fe氧化為span>Fe3+的離子方程式是____________。

(2)清液A先用H2O2處理，然后加入CaCO3，反應后溶液的pH≈5。濾渣a的主要成分中有黃銨鐵礬NH4Fe3(SO4)2(OH)6。

①H2O2的作用是____________(用離子方程式表示)。

②濾渣a中除了黃銨鐵礬，主要成分還有X。用平衡移動原理解釋產生x的原因：____________。

(3)用離子方程式表示MnS固體的作用：____________。

(4)濾渣c的成分是____________。

(5)如下圖所示裝置，用惰性電極電解中性MnSO4溶液可以制得金屬Mn。陰極反應有：

i. Mn2++2e－＝Mn ii. 2H++2e－＝H2↑

電極上H2的產生會引起錳起殼開裂，影響產品質量。

①電解池陽極的電極方程式是________________。

②清液C需要用氨水調節(jié)pH＝7的原因是____________。

③電解時，中性MnSO4溶液中加入(NH4)2SO4的作用除了增大溶液導電性之外，還有___________(結合電極反應式和離子方程式解釋)。

Answer 1

【答案】3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O 2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸鈣，消耗H+，H+濃度降低，平衡向右移動，最終生成Al(OH)3 MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s) CaF2 2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O) 降低c(H+)，減弱H+的放電趨勢(放電能力)，使陰極上產生的H2減少 陰極2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，防止溶液中因為pH過大而產生Mn(OH)2

【解析】

由流程圖可知，軟錳礦加入Fe和H2SO4，MnO2將Fe氧化為Fe3+，本身被還原為Mn2+，經過濾除去不溶的SiO2。清液A中含有Mn2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Cu2+和Ca2+等離子，在清液A中加入H2O2可將Fe2+氧化為Fe3+，加入碳酸鈣調節(jié)溶液的pH，產生黃銨鐵礬NH4Fe3(SO4)2(OH)6和氫氧化鋁沉淀，除去Fe2+、Fe3+、Al3+。清液B中含有Mn2+、Cu2+和Ca2+等離子，在清液B中加入MnS固體，生成CuS沉淀，除去Cu2+。清液C中含有Mn2+和Ca2+等離子，在清液C中加入MnF2可將Ca2+轉化為CaF2沉淀而除去。最后加氨水調節(jié)溶液pH=7，電解中性MnSO4溶液制取Mn，以此分析。

(1)根據以上分析，在硫酸存在的條件下，MnO2將Fe氧化為Fe3+，本身被還原為Mn2+，根據得失電子守恒，離子方程式是3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O。

故答案為：3MnO2+2Fe+12H+＝3Mn2++2Fe3++6H2O；

(2) ①黃銨鐵礬NH4Fe3(SO4)2(OH)6中的鐵為+3價，所以H2O2的作用是將Fe2+氧化為Fe3+，

離子方程式為2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O。

故答案為：2Fe2++H2O2+2H+＝2Fe3++2H2O；

②分析流程圖可知，濾渣a中除了黃銨鐵礬，主要成分還有Al(OH)3。產生Al(OH)3的原因是Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸鈣，消耗H+，H+濃度降低，平衡向右移動，最終生成Al(OH)3。

故答案為：Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，加入碳酸鈣，消耗H+，H+濃度降低，平衡向右移動，最終生成Al(OH)3

(3) 分析流程圖可知，加入MnS固體，生成CuS沉淀，發(fā)生沉淀轉化，除去Cu2+，離子方程式為：MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s)。

故答案為：MnS(s)+Cu2+＝Mn2++ CuS(s)；

(4) 在清液C中加入MnF2可將Ca2+轉化為CaF2沉淀而除去，所以濾渣c的成分是CaF2。

故答案為：CaF2；

(5)①用惰性電極電解中性MnSO4溶液，電解池陽極發(fā)生氧化反應，電極方程式是2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O)。

故答案為：2H2O－4e－＝O2↑+4H+(或4OH－－4e－＝O2↑+2H2O)

②根據信息，電極上H2的產生會引起錳起殼開裂，影響產品質量，所以清液C需要用氨水調節(jié)pH＝7，降低c(H+)，減弱H+的放電趨勢(放電能力)，使陰極上產生的H2減少。

故答案為：降低c(H+)，減弱H+的放電趨勢(放電能力)，使陰極上產生的H2減少；

③電解時，陰極發(fā)生2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，為防止溶液中因為pH過大而產生Mn(OH)2，則加入(NH4)2SO4控制pH不過大。

故答案為：陰極2H2O+2e－＝H2+2OH－，NH4++OH－＝NH3·H2O，防止溶液中因為pH過大而產生Mn(OH)2。