【题目】某工厂用软锰矿(主要成分是MnO2,含少量Al2O3和SiO2)和闪锌矿(主要成分是ZnS,含少量FeS、CuS等杂质)为原料制备MnO2和Zn(干电池原料),其简化流程如下:
已知:反应Ⅰ中所有金属元素均以离子形式存在。
回答下列问题:
(1)滤渣1中除了SiO2以外,还有一种淡黄色物质,该物质是由MnO2、CuS与硫酸共热时产生的,请写出该反应的离子方程式________________________________。
(2)反应Ⅱ中加入适量金属锌的目的是为了回收某种金属,滤渣2的主要成分是______(填名称)。
(3)反应Ⅲ中MnO2的作用是______,另外一种物质X可以是______。(填字母代号)
a.MgO b.Zn(OH)2 c.Cu2(OH)2CO3 d.MnCO3
(4)反应Ⅳ中电极均是惰性电极,写出阳极电极反应式_______________。本工艺可以循环利用的物质有MnO2、Zn和_____。
(5)已知:H2S的电离常数K1=1.0×10−7,K2=7.0×10−15。0.1 mol/L NaHS的pH___7(填“>”“=”或“<”),理由是________________________________________。
(6)在废水处理领域中常用H2S将Mn2+转化为MnS除去,向含有0.020 mol·L−1 Mn2+废水中通入一定量的H2S气体,调节溶液的pH=a,当HS−浓度为1.0×10−4 mol·L−1时,Mn2+开始沉淀,则a=________。[已知:Ksp(MnS)=1.4×10−15]
【答案】 CuS+MnO2+4H+Cu2++Mn2++S↓+2H2O Cu 将Fe2+氧化为Fe3+ bd Mn2+−2e−+2H2O=MnO2+4H+ H2SO4 > HS−的水解常数为>7.0×10−15,水解程度大于电离程度,溶液显碱性,pH>7 5
【解析】试题分析:(1)依题意,MnO2、CuS、H2SO4反应生成MnSO4、CuSO4、S、H2O,锰元素由+4降为为+2价,硫元素由—2升为0价,根据最小公倍数法配平;(2)根据流程图,Ⅲ是除去溶液中的铁离子、铝离子;II中加入适量Zn,充分反应后过滤,得到Cu;(3) II中加入适量Zn,发生的反应为Zn+Cu2+=Zn2++Cu、Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+,则II的滤液中无铁离子,只有亚铁离子,为了将亚铁离子除去,需要先将其氧化为铁离子,再用氢氧化锌、氧化锌等调节溶液pH将其完全变为氢氧化铁沉淀,因此III中加入的二氧化锰是将Fe2+氧化成Fe3+的氧化剂;(4)电解前,V溶液中含有锌离子、锰离子,由此推断电解时锌元素由+2降为0价,得到电子,发生还原反应,说明Zn是阴极产物;锰元素由+2升为+4价,失去电子,发生氧化反应,说明二氧化锰是阳极产物,即Mn2+—2e-→MnO2;
(5)根据HS-的电离平衡常数与水解平衡常数判断NaHS的pH;(6)根据Ksp(MnS)=1.4×10−15,可计算向含有0.020 mol·L−1 Mn2+废水中通入一定量的H2S气体Mn2+开始沉淀时S2−浓度,再根据H2S的电离常数K2=7.0×10−15计算氢离子浓度。
解析:根据以上分析(1)依题意,MnO2、CuS、H2SO4反应生成MnSO4、CuSO4、S、H2O,锰元素由+4降为为+2价,硫元素由—2升为0价,根据最小公倍数法配平,则该反应为CuS+MnO2+4H+Cu2++Mn2++S↓+2H2O;(2)根据流程图,Ⅲ是除去溶液中的铁离子、铝离子;II中加入适量Zn,得到Cu,滤渣2的主要成分是Cu;(3) II中加入适量Zn, II的滤液中有亚铁离子,为了将亚铁离子除去,需要先将其氧化为铁离子;为不引入新杂质,再用氢氧化锌、氧化锌、碳酸锰等调节溶液pH将其完全变为氢氧化铁沉淀,因此III中加入的二氧化锰是将Fe2+氧化成Fe3+的氧化剂,另外一种物质X可以是氢氧化锌、氧化锌、碳酸锰等,所以选bd;(4)电解前,V溶液中含有锌离子、锰离子,由此推断电解时锌元素由+2降为0价,得到电子,发生还原反应,说明Zn是阴极产物;锰元素由+2升为+4价,失去电子,发生氧化反应,说明二氧化锰是阳极产物即Mn2+—2e-→MnO2,左边带4个正电,右边不带电,呈酸性的V溶液中只能用氢离子使左右电荷守恒,则Mn2+—2e-→MnO2+4H+;左边比右边少4H、2O,根据原子个数守恒可得阳极反应式:Mn2+−2e-+2H2O=MnO2+4H+;Mn2+−2e−+2H2O=MnO2+4H+ ;根据电极反应式,电解中有硫酸生成,本工艺可以循环利用的物质有MnO2、Zn和H2SO4
(5)根据HS-的电离平衡常数与HS-水解平衡常数=大于 7.0×10−15 ,水解大于电离,所以NaHS的pH>7;(6)根据Ksp(MnS)= 1.4×10−15,可计算向含有0.020 mol·L−1 Mn2+废水中通入一定量的H2S气体Mn2+开始沉淀时S2−浓度等于, H2S的电离常数K2=7.0×10−15, , ,氢离子浓度= ,所以PH=5。