Question

【題目】鋅錳干電池是很古老的一次性電池，它的生產原料主要有軟錳礦和閃鋅礦。科研人員開發了綜合利用軟錳礦和閃鋅礦的同槽酸浸工藝，工藝流程如下圖所示。

已知：軟錳礦中含MnO2約66%，SiO2約20%，Al2O3約4%，其余為水分；閃鋅礦中含ZnS約80%，FeS、CuS、SiO2共約7%，其余為水分。

請回答下列問題：

（1）反應I需不斷攪拌，其目的是______________。

（2）反應I中主要的氧化還原反應化學方程式為______________。

（3）檢驗反應I濾液中Fe3+的試劑為____________________。反應III中MnO2的作用是______________。

（4）已知Ksp（ZnCO3）=1.4×10-10、Ksp（MnCO3）=2.2×10-11；要使反應IV之后的溶液中Zn2+、Mn2+濃度均降到1.0×10-6 mol·L-1，則溶液中殘留的CO32-濃度至少為___mol·L-1。

（5）如圖是Na2SO4和Na2SO410H2O的溶解度曲線

（g/100g水），則Ⅳ中得到Na2SO4固體的操作是：將分離出MnCO3和ZnCO3后的濾液蒸發結晶→_______→ 用乙醇洗滌→干燥。用乙醇洗滌而不用水洗的原因是___________。

Answer 1

【答案】加快反應速率，提高原料利用率 ZnS+MnO2+2H2SO4 =ZnSO4 +S+MnSO4+2H2O KSCN溶液 將Fe2+氧化成Fe3+ 1.4×10-4 趁熱過濾 用乙醇洗滌可以防止Na2SO4固體轉化為Na2SO410H2O，并防止Na2SO4因溶于水而損耗

【解析】

軟錳礦、閃鋅礦中加硫酸，反應I主要為：MnO2和硫化物發生氧化還原反應生成Mn2+和S、Fe3+、Al3+、Zn2+、Cu2+等，過濾除去S、SiO2；

在濾液中加適量Zn發生反應Ⅱ，Zn和Cu2+、Fe3+反應生成Cu、Fe2+、Zn2+，過濾除去Cu；濾液發生反應Ⅲ，MnO2和Fe2+反應生成Mn2+和Fe3+，通過調pH使Fe3+、Al3+形成沉淀除去；

Zn2+、Mn2+和Na2CO3可發生反應Ⅳ得到Na2SO4、MnCO3、ZnCO3提供給反應Ⅲ用，也可發生反應Ⅴ，獲得MnO2和Zn，據此分析解答。

(1)反應I不斷攪拌，軟錳礦和閃鋅礦充分接觸，一方面可以加快反應速率，另一方面可使軟錳礦和閃鋅礦盡可能反應，提高原料利用率，故答案為：加快反應速率，提高原料利用率；

(2)軟錳礦中的成分主要為MnO2，閃鋅礦中主要成分為ZnS，所以反應I中主要發生MnO2氧化ZnS的反應，結合原子守恒、電子得失守恒可得方程式為：ZnS+MnO2+2H2SO4 =ZnSO4 +S+MnSO4+2H2O，故答案為：ZnS+MnO2+2H2SO4 =ZnSO4 +S+MnSO4+2H2O；

(3)通常用KSCN溶液檢驗Fe3+，由上面的分析可知，反應III中MnO2的作用是將Fe2+氧化成Fe3+，以便形成沉淀而除去，故答案為：KSCN溶液；將Fe2+氧化成Fe3+；

(4) Zn2+濃度降到1.0×10-6 mol·L-1，所需CO32-濃度=mol·L-1=1.4×10-4 mol·L-1，Mn2+濃度降到1.0×10-6 mol·L-1，所需CO32-濃度=mol·L-1=2.2×10-5 mol·L-1，綜上所述，要使反應IV之后的溶液中Zn2+、Mn2+濃度均降到1.0×10-6 mol·L-1，則溶液中殘留的CO32-濃度至少為1.4×10-4 mol·L-1，故答案為：1.4×10-4 ；

(5)由Na2SO4和Na2SO410H2O的溶解度曲線可知，溫度太低，Na2SO410H2O的溶解度較小，得到的固體為Na2SO410H2O，故應將分離出MnCO3和ZnCO3后的濾液蒸發結晶、趁熱過濾、用乙醇洗滌、干燥。若用水洗，洗滌過程必然溫度降低，有一部分Na2SO4會轉化為Na2SO410H2O，同時有一部分會溶于水而隨水流走，故用乙醇洗滌可以防止Na2SO4固體轉化為Na2SO410H2O，并防止Na2SO4因溶于水而損耗，故答案為：趁熱過濾；用乙醇洗滌可以防止Na2SO4固體轉化為Na2SO410H2O，并防止Na2SO4因溶于水而損耗。