Question

13．污染物的有效去除和資源的充分利用是化學(xué)造福人類的重要研究課題．工業(yè)上以硫鐵礦為原料制硫酸所產(chǎn)生的尾氣除了含有N₂、O₂外，還含有SO₂．為了保護(hù)環(huán)境，同時(shí)提高硫酸工業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)盡可能將尾氣中的SO₂轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品．
治理方案Ⅰ：
（1）將尾氣通入氨水中，能發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，寫出其中可能發(fā)生的兩個(gè)氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式：2（NH₄）₂SO₃+O₂=2（NH₄）₂SO₄、2NH₄HSO₃+O₂=2NH₄HSO₄．
治理方案Ⅱ：
某研究小組利用軟錳礦（主要成分為MnO₂，另含有少量鐵、鋁、銅、鎳等金屬化合物）作脫硫劑，通過如圖1的流程既去除尾氣中的SO₂，又制得電池材料MnO₂ （反應(yīng)條件已省略）．

請(qǐng)回答下列問題：
（2）用MnCO₃能除去溶液中Al³⁺和Fe³⁺其原因是消耗溶液中的酸，促進(jìn)Al³⁺和Fe³⁺水解生成氫氧化物沉淀，用MnS除去溶液中的Cu²⁺的離子方程式為MnS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Mn²⁺（aq）．
（3）流程圖④過程中發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為2KMnO₄+3MnSO₄+2H₂O=5MnO₂↓+K₂SO₄+2 H₂SO₄．
（4）MnO₂可作超級(jí)電容器材料．工業(yè)上用如圖2所示裝置制備MnO₂．接通電源后，A電極的電極反應(yīng)式為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，當(dāng)制備lmol MnO₂，則膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差（△m_左-△m_右）為89g．

Answer 1

分析 由流程可知，二氧化硫能與二氧化錳反應(yīng)生成硫酸錳，用MnCO₃調(diào)節(jié)溶液pH，使溶液中Al³⁺和Fe³⁺轉(zhuǎn)化為沉淀，過濾除去，MnS將銅、鎳離子還原為單質(zhì)，過濾分離，濾液中加入高錳酸鉀與硫酸錳反應(yīng)生成二氧化錳，通過過濾獲得二氧化錳，
（1）二氧化硫中的硫?yàn)?4價(jià)，具有還原性，空氣中的氧氣具有氧化性；
（2）用MnCO₃消耗溶液中的酸，使Al³⁺和Fe³⁺水解生成氫氧化物沉淀；MnS與溶液中的Cu²⁺反應(yīng)生成CuS沉淀與Mn²⁺（aq），是沉淀轉(zhuǎn)化；
（3）高錳酸鉀與硫酸錳反應(yīng)生成二氧化錳，還生成硫酸鉀，由元素守恒可知還生成硫酸；
（4）MnO₂可作超級(jí)電容器材料．電解硫酸錳溶液制備MnO₂，Mn元素發(fā)生氧化反應(yīng)，由裝置圖可知，B電極上有氣體生成，發(fā)生還原反應(yīng)，應(yīng)是氫離子放電生成氫氣，A為陽(yáng)極，陽(yáng)極上是Mn²⁺失去電子得到MnO₂，由電荷守恒可知還有H⁺生成，氫離子通過質(zhì)子交換膜移向右室，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移可知移向右室的氫離子生成氫氣，右室電解質(zhì)溶液質(zhì)量不變，兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差為二氧化錳與移向右室氫離子的質(zhì)量；

解答 解：（1）將尾氣通入氨水中，尾氣中的SO₂與氨水反應(yīng)，氨水少量時(shí)：SO₂+NH₃•H₂O=NH₄HSO₃；氨水過量時(shí)：SO₂+2NH₃•H₂O=（NH₄）₂SO₃+H₂O，生成的鹽中硫的化合價(jià)為+4價(jià)，遇氧化劑氧氣能升高到+6價(jià)．反應(yīng)的醋酸為：2（NH₄）₂SO₃+O₂═2（NH₄）₂SO₄；2NH₄HSO₃+O₂═2NH₄HSO₄，
故答案為：2（NH₄）₂SO₃+O₂=2（NH₄）₂SO₄；2NH₄HSO₃+O₂=2NH₄HSO₄；
（2）用MnCO₃能除去溶液中Al³⁺和Fe³⁺，其原因是：消耗溶液中的酸，促進(jìn)Al³⁺和Fe³⁺水解生成氫氧化物沉淀，用MnS除去溶液中的Cu²⁺的離子方程式為：MnS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Mn²⁺（aq），
故答案為：消耗溶液中的酸，促進(jìn)Al³⁺和Fe³⁺水解生成氫氧化物沉淀；MnS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Mn²⁺（aq）；
（3）高錳酸鉀與硫酸錳反應(yīng)生成二氧化錳，還生成硫酸鉀，由元素守恒可知還生成硫酸，反應(yīng)方程式為：2KMnO₄+3MnSO₄+2H₂O=5MnO₂↓+K₂SO₄+2 H₂SO₄，
故答案為：2KMnO₄+3MnSO₄+2H₂O=5MnO₂↓+K₂SO₄+2 H₂SO₄；
（4）MnO₂可作超級(jí)電容器材料．電解硫酸錳溶液制備MnO₂，Mn元素發(fā)生氧化反應(yīng)，由裝置圖可知，B電極上有氣體生成，發(fā)生還原反應(yīng)，應(yīng)是氫離子放電生成氫氣，A為陽(yáng)極，陽(yáng)極上是Mn²⁺失去電子得到MnO₂，由電荷守恒可知還有H⁺生成，氫離子通過質(zhì)子交換膜移向右室，陽(yáng)極電極反應(yīng)式為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移可知移向右室的氫離子生成氫氣，右室電解質(zhì)溶液質(zhì)量不變，兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差為二氧化錳與移向右室氫離子的質(zhì)量，當(dāng)制備1mol MnO₂，轉(zhuǎn)移電子為2mol，則移向右室的氫離子為2mol，則膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差（△m_左-△m_右）為1mol×87g/mol+2mol×1g/mol=89g，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；89．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)制備工藝流程，關(guān)鍵是對(duì)工藝流程圖原理的理解，（4）中計(jì)算為易錯(cuò)點(diǎn)，學(xué)生容易忽略忽略氫離子由陽(yáng)極通過質(zhì)子交換膜移向陰極，（5）中注意根據(jù)Mn元素守恒及關(guān)系式計(jì)算，題目難度中等．