Question

【題目】磁性材料產業是21世紀各國競相發展的高科技支柱產業之一，磁性材料廣泛用于電子信息、軍事技術等領域。碳酸錳主要用于制備軟磁鐵氧體，工業上用氯化銨焙燒錳礦粉制備高純度碳酸錳的工藝流程如下：

已知：①錳礦粉的主要成分是MnCO3，還含少量Fe、Al、Ca、Mg等元素。
②相關金屬Mn+離子c(Mn+) ═ 0.1 mol L -1形成M(OH) n沉淀的pH范圍如下：

③常溫下，Ksp(CaF2) ═1.46×10-10 Ksp(MgF2) ═7.42×10-11 Ka(HF) ═1.00 ×10-4

回答下列問題：

（1）分析下列圖1、圖2，氯化銨焙燒錳礦粉的最佳條件是：__________________。

（2）“焙燒”時發生的主要反應的化學方程式為_________________________。

（3）浸出液“凈化除雜”過程如下：首先加入MnO2將Fe2+氧化為Fe3+，反應的離子方程式為__________；再調節溶液的pH將Al3+、Fe3+變為沉淀除去；然后加入NH4F將Ca2+、Mg2+沉淀除去，此時溶液pH為6，c(Mg2+)═4.64×10-6 mol·L-1，c(HF)為_________mol·L-1。

（4）碳化結晶時，反應的離子方程式為_____________________________________。

（5）碳化結晶過程中不能用碳酸銨溶液代替碳酸氫銨溶液可能的原因是___________________。

（6）測定碳酸錳產品的純度。

稱取0.5000 g碳酸錳產品于錐形瓶中，加25.00 mL磷酸，加熱，碳酸錳全部轉化為[Mn(PO4)2]3-，冷卻至室溫。加水稀釋至100 mL，滴加2～3滴指示劑，然后用濃度為0.2000 mol·L-1的硫酸亞鐵銨[(NH4)2Fe(SO4)2]標準溶液滴定（反應為：[Mn(PO4)2]3- +Fe2+ ═Mn2+ +Fe3++2PO43-）。重復操作3次，記錄數據如下表：

滴定次數	0.2000 mol·L-1的硫酸亞鐵銨標準溶液讀數（mL）
	滴定前	滴定后
1	0.10	20.20
2	1.32	21.32
3	1.05	20.95

則產品的純度=__________，若滴定終點時發現滴定管尖嘴處產生了氣泡，則測得的碳酸錳粗產品的純度___(填“偏高”“ 偏低”或“無影響”)。

Answer 1

【答案】500℃ m(NH4Cl):m(錳礦粉)=1.10 MnCO3＋2NH4ClMnCl2＋2NH3↑＋CO2↑＋H2O MnO2＋2Fe2＋＋4H＋═Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O 4.0×10-5 Mn2＋＋2HCO3－MnCO3＋CO2↑＋H2O 碳酸根離子水解程度大，碳酸銨溶液中c(OH-)較大，易產生Mn(OH)2沉淀 92.00% 偏低

【解析】

將菱錳礦粉(主要成分是MnCO3，還含少量Fe、Al、Ca、Mg等元素)和氯化銨混合研磨后焙燒，反應生成二氧化碳和氨氣，因此反應方程式為MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O，浸出，浸出液含有Mn2+、Fe2+、Al3+、Ca2+、Mg2+，浸出液需要凈化除雜，根據(3)的提示，需要加入MnO2將Fe2+氧化為Fe3+，再調節溶液的pH將Al3+、Fe3+變為Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀除去，然后加入NH4F將Ca2+、Mg2+以CaF2、MgF2沉淀除去，凈化液中主要溶質為MnCl2、NH4Cl，加入碳酸氫銨發生反應：Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O，炭化結晶，過濾，濾餅干燥后得到MnCO3，濾液為NH4Cl溶液，蒸發結晶得到NH4Cl固體，可循環使用，據此分析解答。

(1)根據圖像可知，錳的浸出率隨著溫度的升高而增大，隨著m(NH4Cl)∶m(錳礦粉)增大而增大，500℃、m(NH4Cl)∶m(錳礦粉)=1.10時，錳的浸出率最高，溫度過高，m(NH4Cl)∶m(錳礦粉)再打，浸出率變化不大，成本增加，故焙燒溫度取500℃、m(NH4Cl)∶m(錳礦粉)=1.10即可；故答案為：500℃、m(NH4Cl)∶m(錳礦粉)=1.10；

(2)將菱錳礦粉(主要成分是MnCO3，還含少量Fe、Al、Ca、Mg等元素)和氯化銨混合研磨后焙燒，反應生成二氧化碳和氨氣，因此反應方程式為MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O，故答案為：MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；

(3)MnO2將Fe2+氧化為Fe3+，離子反應為：MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O；已知：常溫下，Ksp(MgF2)═7.42×10-11，Ka(HF)═1.00×10-4，溶液pH為6，c(Mg2+)═4.64×10-6molL-1，則此時c(F-)=mol/L=4×10-3mol/L，Ka(HF)═=1.00×10-4，c(HF)==4.0×10-5mol/L，故答案為：MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O；4.0×10-5；

(4)碳化結晶時，反應的方程式為：Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O，故答案為：Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O；

(5)碳酸根離子水解程度大，碳酸銨溶液中c(OH-)較大，易產生Mn(OH)2沉淀，故碳化結晶過程中不能用碳酸銨溶液代替碳酸氫銨溶液，故答案為：碳酸根離子水解程度大，碳酸銨溶液中c(OH-)較大，易產生Mn(OH)2沉淀；

(6)根據表格數據，三次消耗硫酸亞鐵銨標準溶液的體積(mL)分別為：20.10、20.00、19.90，消耗的平均體積為20.00 mL，根據關系式：MnCO3～Mn(PO4)2]3-～(NH4)2Fe(SO4)2，則n(MnCO3)=n(硫酸亞鐵銨)=0.2000mol/L×0.02L=0.004mol，產品的純度為×100%=92.00%；若滴定終點時發現滴定管尖嘴處產生了氣泡，則標準液消耗的體積讀數偏小，故測得的碳酸錳粗產品的純度偏低，故答案為：92.00%；偏低。