《2025年学霸高考黑题化学人教版》

巩固训练5 (2025·辽宁葫芦岛一模)硫酸锰是一种重要的化工中间体,是锰行业研究的热点。一种以高硫锰矿(主要成分为MnS及少量FeS)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下:

①“混合焙烧”后烧渣含$MnSO_{4}$、$Fe_{2}O_{3}$及少量FeO、$Al_{2}O_{3}$、MgO。
②酸浸时,浸出液的pH与锰的浸出率关系如图1所示。
③金属离子在水溶液中的平衡浓度与pH的关系如图2所示($25^{\circ}C$),此实验条件下$Mn^{2+}$开始沉淀的pH为7.54。
(1)$Mn^{2+}$的价电子排布式为3d⁵。
(2)传统工艺处理高硫锰矿时,若不经“混合焙烧”,而是直接用$H_{2}SO_{4}$浸出,其缺点为产生硫化氢等气体，污染环境；硫酸过多，后续调pH除杂质时会消耗更多的碳酸钙而造成浪费。
(3)实际生产中,酸浸时控制硫酸的量不宜过多,使pH在2左右。请结合图1和制备硫酸锰的流程,说明硫酸的量不宜过多的原因:无。
(4)“中和除杂”时,应调节pH的范围为5.0 ≤ pH ≤ 7.54,其中除去$Fe^{3+}$的离子方程式为2Fe³⁺ + 3CaCO₃ + 3SO₄²⁻ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3CaSO₄ + 3CO₂↑。
(5)“氟化除杂”时,溶液中的$Mg^{2+}$和$Ca^{2+}$都沉淀完全时,则$F^{-}$的最低浓度为6×10⁻⁴[已知:$K_{sp}(MgF_{2})=6.4×10^{-10}$;$K_{sp}(CaF_{2})=3.6×10^{-12}$]。
(6)碳化结晶的离子方程式为Mn²⁺ + 2HCO₃⁻ = MnCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O。

答案： 巩固训练5
(1)3d⁵
(2)产生硫化氢等气体，污染环境；硫酸过多，后续调pH除杂质时会消耗更多的碳酸钙而造成浪费
(3)无
(4)5.0 ≤ pH ≤ 7.54 2Fe³⁺ + 3CaCO₃ + 3SO₄²⁻ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3CaSO₄ + 3CO₂↑
(5)6×10⁻⁴
(6)Mn²⁺ + 2HCO₃⁻ = MnCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
解析：
(1)Mn原子的电子排布式为[Ar]3d⁵4s²，故Mn²⁺的价电子排布式为3d⁵。
(2)酸浸时产生硫化氢等气体，污染环境；硫酸过多，对锰的浸出率影响很小，但后续调pH除杂质时会消耗更多的碳酸钙而造成浪费。
(4)中和除杂的目的是除去Al³⁺、Fe³⁺，根据图可知，常温下，Al³⁺、Fe³⁺完全沉淀时，即Al³⁺、Fe³⁺浓度为10⁻⁵mol·L⁻¹时，pH分别为5.0、3.2，而题中所给信息为Mn²⁺开始沉淀的pH为7.54，除杂时要Al³⁺、Fe³⁺完全沉淀而Mn²⁺不沉淀，因此pH范围为5.0 ≤ pH ≤ 7.54；加入碳酸钙后将Fe³⁺转化为Fe(OH)₃沉淀，因此反应为2Fe³⁺ + 3CaCO₃ + 3SO₄²⁻ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3CaSO₄ + 3CO₂↑。
(5)已知：Kₛₚ(MgF₂) = 6.4×10⁻¹⁰；Kₛₚ(CaF₂) = 3.6×10⁻¹²，溶液中的Ca²⁺沉淀完全时c(F⁻) = $\sqrt{\frac{K_{sp}(CaF₂)}{c(Ca²⁺)}}$ = $\sqrt{\frac{3.6×10^{-12}}{1×10^{-5}}}$ = 6×10⁻⁴mol·L⁻¹，当Mg²⁺完全沉淀时，需维持c(F⁻)不低于$\sqrt{\frac{K_{sp}(MgF₂)}{c(Mg²⁺)}}$ = $\sqrt{\frac{6.4×10^{-10}}{1×10^{-5}}}$ = 8×10⁻³mol·L⁻¹，因此当c(F⁻) = 6×10⁻⁴mol·L⁻¹时，此时溶液中Mg²⁺和Ca²⁺都能沉淀完全。
(6)加入碳酸氢铵进行“碳化结晶”，生成二氧化碳气体、MnCO₃沉淀和水。