Question

12．高錳酸鉀[KMnO₄]是常用的氧化劑．工業(yè)上以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體．中間產(chǎn)物為錳酸鉀[K₂MnO₄]．圖1是實驗室模擬制備的操作流程：

相關資料：
①物質溶解度

物質	KMnO4	K2CO3	KHCO3	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②錳酸鉀[K₂MnO₄]
外觀性狀：墨綠色結晶．其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）的特征顏色．
化學性質：在強堿性溶液中穩(wěn)定，在酸性、中性和弱堿性環(huán)境下，MnO₄^2-會發(fā)生歧化反應．
試回答下列問題：
（1）煅燒軟錳礦和KOH固體時，不采用石英坩堝而選用鐵坩堝的理由是強堿腐蝕石英；
（2）實驗時，若CO₂過量會生成KHCO₃，導致得到的KMnO₄產(chǎn)品的純度降低．請寫出實驗中通入適量CO₂時體系中可能發(fā)生反應離子方程式：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O（或3MnO₄^2-+3CO₂+2OH^-═2MnO₄^-+MnO₂↓+H₂O+3CO₃^2-）；其中氧化還原反應中氧化劑和還原劑的質量比為1：2．
（3）由于CO₂的通入量很難控制，因此對上述實驗方案進行了改進，即把實驗中通CO₂改為加其他的酸．從理論上分析，選用下列酸中A，得到的產(chǎn)品純度更高．
A．醋酸           B．濃鹽酸            C．稀硫酸
（4）工業(yè)上采用惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，試寫出該電解反應的化學方程式2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH．
提出改進方法：可用陽離子交換膜分隔兩極區(qū)進行電解（如圖2）．
圖2中A口加入的溶液最好為KOH溶液．使用陽離子交換膜可以提高Mn元素利用率的原因為陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區(qū)被還原．

Answer 1

分析 以軟錳礦（主要成分是MnO₂）為原料制備高錳酸鉀晶體，軟錳礦固體和KOH固體混合在鐵坩堝中煅燒，得到墨綠色熔塊，為錳酸鉀，冷卻后溶于水其水溶液呈深綠色，這是錳酸根（MnO₄^2-）在堿溶液中的特征顏色，邊加熱邊通入適量二氧化碳氣體，調節(jié)溶液PH趁熱過濾得到二氧化錳固體和高錳酸鉀溶液，冷卻結晶得到高錳酸鉀晶體，
（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強堿反應，坩堝被腐蝕；
（2）工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄；氧化還原反應中氧化劑是元素化合價降低的物質，還原劑是元素化合價升高的物質，結合化學方程式定量關系和電子守恒計算；
（3）分析鹽酸具有還原性容易被高錳酸鉀氧化，使產(chǎn)品變質，硫酸反應生成的硫酸鉀溶解度小，會隨高錳酸鉀晶體析出；
（4）惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳酸根離子在陽極失電子生成高錳酸根離子，溶液中氫離子在陰極得到電子生成氫氣，溶液中氫氧根離子濃度增大生成堿，陽離子交換膜分隔兩極區(qū)進行電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，陽離子移向方向可知左邊電極為陽極，右邊冒氣泡的電極為陰極，為維持電解質溶液電荷守恒，A處最好加入氫氧化鉀溶液，使用陽離子交換膜可以提高Mn元素利用率是因為陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區(qū)．

解答 解：（1）瓷坩堝中的二氧化硅和強堿反應，坩堝被腐蝕，所以煅燒軟錳礦和KOH固體時，不采用瓷坩堝而選用鐵坩堝理由是強堿腐蝕石英
故答案為：強堿腐蝕石英；
（2）工藝流程可知，CO₂使MnO₄^2-發(fā)生歧化反應，生成MnO₄^-和MnO₂，根據(jù)元素守恒可知，會生成K₂CO₃，若通入CO₂太多，會生KHCO₃，濾液中含有KHCO₃、KMnO₄，在加熱濃縮時，會有KHCO₃晶體和KMnO₄晶體一起析出，實驗中通入適量CO₂時體系中可能發(fā)生反應離子方程式為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O，其中氧化還原反應中氧化劑和還原劑都是高錳酸鉀，所以氧化劑和還原劑的質量比即為反應的物質的量之比為1：2，
故答案為：3MnO₄^2-+2CO₂═2MnO₄^-+MnO₂↓+2CO₃^2-，2OH^-+CO₂═CO₃^2-+H₂O（或3MnO₄^2-+3CO₂+2OH^-═2MnO₄^-+MnO₂↓+H₂O+3CO₃^2-）；1：2；
（3）因為鹽酸具有還原性，易被高錳酸鉀氧化；醋酸鉀的溶解度比硫酸鉀大的多，蒸發(fā)濃縮時基本上都會留在母液中，硫酸加入生成的硫酸鉀溶解度小，會隨KMnO₄一起結晶析出得到的高錳酸鉀中含有雜質，所以選醋酸得到的產(chǎn)品純度更高，
故答案為：A；
（4）采用惰性電極電解錳酸鉀溶液制取高錳酸鉀，錳元素的化合價由+6價升高到+7價，失電子做陽極，陰極則是H⁺得電子生成氫氣，該電解反應的化學方程式為2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；
根據(jù)圖示可以看出陽離子交換膜，陽離子向右遷移，再根據(jù)電解的總反應，圖中A口加入的溶液最好為KOH溶液；
使用陽離子交換膜可以防止錳酸根進入陰極區(qū)被還原，提高了Mn元素利用率，
故答案為：2K₂MnO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2KMnO₄+H₂↑+2KOH；KOH溶液；陽離子交換膜防止錳酸根進入陰極區(qū)被還原．

點評 本題考查制備方案的設計，題目難度中等，明確實驗目的、實驗原理為解答關鍵，注意掌握制備方案設計與評價的原則，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生靈活應用能力．