Question

16．堿性鋅錳電池是日常生活中消耗量最大的電池，其構造如圖1所示．放電時總反應為：
Zn+2H₂O+2MnO₂═Zn（OH）₂+2MnOOH
從廢舊堿性鋅錳電池中回收Zn和MnO₂的工藝如圖2：

回答下列問題：
（1）MnOOH中，Mn元素的化合價為+3．
（2）“還原焙燒”過程中，高價金屬化合物被還原為低價氧化物或金屬單質（其中MnOOH、MnO₂被還原成MnO），主要原因是“粉料”中含有C．
（3）“凈化”是為了除去浸出液中的Fe²⁺，方法是：加入H₂O₂（填化學式）溶液將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再調節(jié)pH使Fe³⁺完全沉淀．已知浸出液中Mn²⁺、Zn²⁺的濃度約為0.1mol•L^-1，根據下列數據計算，調節(jié)pH的合理范圍是3至6．

化合物	Mn（OH）2	Zn（OH）2	Fe（OH）3
KSP近似值	10-13	10-17	10-38

（離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1即為沉淀完全）
（4）“電解”時，陽極的電極反應式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺．本工藝中應循環(huán)利用的物質是H₂SO₄（填化學式）．
（5）若將“粉料”直接與鹽酸共熱反應后過濾，濾液的主要成分是ZnCl₂和MnCl₂．“粉料”中的MnOOH與鹽酸反應的化學方程式為2MnOOH+6HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2MnCl₂+4H₂O+Cl₂↑．
（6）某堿性鋅錳電池維持電流強度0.5A（相當于每秒通過5×10^-6 mol電子），連續(xù)工作80分鐘即接近失效．如果制造一節(jié)電池所需的鋅粉為6g，則電池失效時仍有87%的金屬鋅未參加反應．

Answer 1

分析 （1）根據化合價代數和為0計算；
（2-4）廢舊堿性鋅錳電池粉料中含有碳具有還原性，“還原焙燒”過程中，碳將高價金屬化合物被還原為低價氧化物或金屬單質（其中MnOOH、MnO₂被還原成MnO），后用硫酸溶解鐵、鋅和MnO得到MnSO₄溶液和少量Fe²⁺、Zn²⁺，凈化過程中加入H₂O₂溶液將少量Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再調節(jié)pH使Fe³⁺完全沉淀，最終得到MnSO₄溶液和Zn²⁺，電解陽極Mn²⁺失電子發(fā)生氧化反應生成MnO₂，陰極Zn²⁺得電子發(fā)生還原反應生成Zn，廢電解液為硫酸，據此分析解答；
（5）根據MnOOH具有氧化性，與鹽酸發(fā)生氧化還原反應書寫；
（6）根據每秒通過5×10^-6 mol電子計算出電子轉移的數目，再結合電子守恒計算消耗的Zn的質量，據此計算．

解答 解：（1）根據化合價代數和為0，MnOOH中，Mn元素的化合價為+3價，故答案為：+3；
（2）廢舊堿性鋅錳電池粉料中含有碳具有還原性，“還原焙燒”過程中，碳將高價金屬化合物被還原為低價氧化物或金屬單質（其中MnOOH、MnO₂被還原成MnO），故答案為：C；
（3）“凈化”是為了除去浸出液中的Fe²⁺，利用H₂O₂溶液具有氧化性將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再由Mn（OH）₂、Zn（OH）₂的K_SP近似值可求得Mn²⁺，Zn²⁺開始沉淀時的氫氧根濃度分別為$\sqrt{\frac{10{\;}^{-13}}{0.1}}$=10^-6，$\sqrt{\frac{10{\;}^{-17}}{0.1}}$=10^-8，即Mn²⁺，Zn²⁺開始沉淀時的pH分別為8和6，而Fe（OH）₃沉淀完全時的氫氧根濃度為$\root{3}{\frac{10{\;}^{-38}}{1×10{\;}^{-5}}}$=10^-11，即
Fe（OH）₃沉淀完全時的pH為3，所以調節(jié)pH的合理范圍是 3-6，使Fe³⁺完全沉淀，Mn²⁺，Zn²⁺不沉淀，故答案為：H₂O₂；3；6；
（4）電解陽極Mn²⁺失電子發(fā)生氧化反應生成MnO₂，陽極的電極反應式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，陰極Zn²⁺得電子發(fā)生還原反應生成Zn，廢電解液為硫酸，則本工藝中應循環(huán)利用的物質是H₂SO₄，故答案為：Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺；H₂SO₄；
（5）“粉料”中的MnOOH具有氧化性，與鹽酸發(fā)生氧化還原反應，則反應的化學方程式為2MnOOH+6HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2MnCl₂+4H₂O+Cl₂↑，故答案為：2MnOOH+6HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2MnCl₂+4H₂O+Cl₂↑；
（6）80分鐘轉移電子的物質的量為5×10^-6 mol×80×60=0.024mol，則消耗的Zn的質量為$\frac{0.024mol}{2}$×65g/mol=0.78g，所以如果制造一節(jié)電池所需的鋅粉為6g，則電池失效時仍有$\frac{6-0.78}{6}$×100%=87%的金屬鋅未參加反應，故答案為：87．

點評 本題考查混合物的分離和提純，側重考查學生對知識的綜合運用能力，涉及電解原理、氧化還原反應，知道流程圖中各個步驟發(fā)生的反應、基本操作，題目難度較大．