Question

【題目】堿性鋅錳電池的工作原理：Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2，其中的電解質溶液是KOH溶液。某課題組用廢舊鐵殼無汞堿性鋅錳電池為原料，制備一種新型材料——MnxZn(1x)Fe2O4，其工藝流程如圖所示：

(1)已知MnxZn(1x)Fe2O4中錳元素的化合價與實驗室用二氧化錳制取氯氣時還原產物中的錳相同，則鐵元素的化合價為___________。

(2)“溶渣”工序中稀硫酸與鐵反應生成的硫酸亞鐵可將+3價錳的化合物全部還原成Mn2+，寫出該反應的離子方程式：_________________________________。

(3)“調鐵”工序的目的是調整濾液中鐵離子的總濃度，使其中金屬元素的物質的量之比與產品的化學式MnxZn(1x)Fe2O4相符合。

①寫出“調鐵”工序中發生反應的離子方程式：______________________、_______。

②若測得濾液的成分為c(Mn2+)+c(Zn2+)=a mol·L1，c(Fe2+)+c(Fe3+)=b mol·L1，濾液體積為1 m3，“調鐵”工序中，需加入的鐵粉質量為___________kg(忽略溶液體積變化，用含a、b的代數式表示)。

(4)在“氧化”工序中，加入雙氧水的目的是把 Fe 2+ 氧化為 Fe 3+；生產過程中發現實際消耗雙氧水的量大于理論值，其可能原因除溫度外，主要是______________________。

(5)用氨水“調pH”后，經“結晶”、“過濾”可得到產品和濾液C，從濾液C中還可分離出一種氮肥，該氮肥的溶液中離子濃度由大到小的排序為_______________。

Answer 1

【答案】+3 MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2 O Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+ Fe+2H += Fe 2+ +H 2 ↑ 112a56b 生成的 Fe 3+ 催化了雙氧水的分解 c(NH4+)>c(SO42—)>c(H + )>c(OH )

【解析】

由流程圖可知，向用水洗滌的廢舊電池濾渣中加入稀硫酸，濾渣中的Fe和Zn(OH)2溶于稀硫酸，反應生成的硫酸亞鐵在酸性條件下，與MnO(OH)發生氧化還原反應生成硫酸鐵、硫酸錳，過濾得到含有硫酸鋅、硫酸鐵和硫酸錳的酸性濾液，向濾液中加入鐵粉調整濾液中鐵離子的總濃度，使其中金屬元素的物質的量之比與產品的化學式MnxZn(1x)Fe2O4相符合，再加入雙氧水將Fe 2+氧化為Fe 3+，用氨水調pH后，經結晶、過濾得到產品MnxZn(1x)Fe2O4。

（1）由題意可知，MnxZn(1x)Fe2O4中錳元素的化合價為+2價，設鐵元素化合價為+a，由化合價代數和為零可得：（+2）×x+（+2）×（1—x）+（+a）×2+（—2）×4=0，解得a=3，故答案為：+3；

（2）由題意可知，硫酸亞鐵與MnO(OH)在酸性條件下發生氧化還原反應，硫酸亞鐵被氧化生成硫酸鐵，MnO(OH)被還原為硫酸錳，反應的離子方程式為MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2O，故答案為：MnO(OH)+Fe 2+ +3H += Mn 2+ +Fe 3+ +2H 2O；

（3）①“調鐵”工序中，加入的鐵粉與溶液中的Fe 3+和H+反應，反應時，氧化性較強的Fe 3+與Fe反應生成Fe 2+，Fe 3+完全反應后，H+與Fe反應生成Fe 2+和H2，反應的離子方程式為Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+和Fe+2H += Fe 2+ +H2↑，故答案為：Fe+2Fe 3+ =3Fe 2+；Fe+2H += Fe 2+ +H2↑；

②由MnxZn(1x)Fe2O4得化學式可知，n[Mn2++Zn2+]:n(Fe 3+)=1:2，設加入的鐵粉為xmol，依據題意可得（a mol·L1×103 L）:(b mol·L1×103 L +x) =1:2，解得x=(2a-b)×103 mol，則加入的鐵粉質量為(2a-b)×103 mol×56g/mol=56(2a-b)×103g=56(2a-b)kg，故答案為：56(2a-b)；

(4)在“氧化”工序中，雙氧水把 Fe 2+ 氧化為Fe 3+，反應生成的Fe 3+可以做催化劑，使雙氧水催化分解，成為除溫度外，導致實際消耗雙氧水的量大于理論值的因素，故答案為：生成的 Fe 3+ 催化了雙氧水的分解；

（5）由流程圖可知，反應中加入了稀硫酸和氨水，濾液C中一定含有可以做氮肥的硫酸銨，硫酸銨溶液中由于銨根離子水解使溶液顯酸性，溶液中有c(H + )>c(OH )，但是由于水解程度小，溶液中有c(NH4+)>c(SO42—)，則溶液中離子濃度由大到小的排序為，故答案為：c(NH4+)>c(SO42—)>c(H + )>c(OH )；