高中 | 氧化还原反应方程式的书写及配平 题目答案及解析
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必修一
第二章 化学物质及其变化
第三节 氧化还原反应
氧化还原反应方程式的书写及配平
以辉铜矿$\rm ($主要含$\text{C}{{\text{u}}_{2}}\text{S}$、$\text{F}{{\text{e}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}$、$\text{Si}{{\text{O}}_{2}}\rm )$和软锰矿$\rm ($主要含$\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}$、$\text{Si}{{\text{O}}_{2}}\rm )$为原料联合提取铜和锰的一种工艺流程如下$\rm ($部分操作和条件略$\rm )$。
Ⅰ．将辉铜矿和软锰矿按一定比例配料，加入过量硫酸充分反应，过滤；
Ⅱ．向Ⅰ中滤液加入适量碳酸氢铵，调节溶液的$\rm pH$，过滤；
Ⅲ．将Ⅱ中滤液蒸发浓缩至有大量晶体析出，趁热过滤；
Ⅳ．将Ⅲ中滤液冷却至室温，静置，使晶体析出。
已知：$\rm i$．在酸性条件下，$\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}$的氧化性强于$\text{F}{{\text{e}}^{3+}}$
$\rm ii$．$25$，金属离子的起始浓度为$1\;\rm \text{mol}\cdot {{\text{L}}^{-1}}$时生成氢氧化物沉淀的$\rm pH$
| $\text{Fe}{{(\text{OH})}_{2}}$ | $\text{Fe}{{(\text{OH})}_{3}}$ | $\text{Cu}{{(\text{OH})}_{2}}$ | $\text{Mn}{{(\text{OH})}_{2}}$ | |
| 开始沉淀时 | $\rm 5.8$ | $\rm 1.1$ | $\rm 4.2$ | $\rm 7.6$ |
| 完全沉淀时 | $\rm 8.3$ | $\rm 2.8$ | $\rm 6.7$ | $\rm 10.1$ |
$\rm iii$．$\text{CuS}{{\text{O}}_{4}}$和$\text{MnS}{{\text{O}}_{4}}$在不同温度下的溶解度
| 温度$\rm (^\circ\rm C)$ | $\rm 0$ | $\rm 20$ | $\rm 40$ | $\rm 60$ | $\rm 80$ | $\rm 100$ |
| $\text{CuS}{{\text{O}}_{4}}(\text{g})$ | $\rm 12.5$ | $\rm 17.2$ | $\rm 22.5$ | $\rm 28.5$ | $\rm 35.5$ | $\rm 43.0$ |
| $\text{MnS}{{\text{O}}_{4}}(\text{g})$ | $\rm 34.6$ | $\rm 38.6$ | $\rm 37.5$ | $\rm 34.9$ | $\rm 31.3$ | $\rm 26.1$ |
步骤Ⅰ是利用硫酸浸取矿石中的铜、锰元素。
①补全该步骤中$\text{C}{{\text{u}}_{2}}\text{S}$与$\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}$反应的离子方程式： 。
$\text{C}{{\text{u}}_{2}}\text{S}+$ $\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}+$ $\rm=2Cu^{2+}+S+$ $\text{M}{{\text{n}}^{2+}}+$
②在上述反应中，氧化剂是 $\rm ($填化学式，下同$\rm )$，被氧化的是 。
③为防止在酸浸过程中产生$\text{F}{{\text{e}}^{2+}}$，配料时应加入过量 $\rm ($填“辉铜矿”或“软锰矿”$\rm )$。
$\\rm Cu_{2}S+2MnO_{2}+8H^{+}=2Cu^{2+}+S+2Mn^{2+}+4H_{2}O$；$\\rm MnO_{2}$；$\\rm Cu_{2}S$；软锰矿
"]]①反应中$\text{C}{{\text{u}}_{2}}\text{S}$中$\rm Cu$从$\rm +1$价到$\rm +2$价，$\rm S$从$\rm -2$价到$\rm 0$价，共升高$\rm 4$价，$\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}$从$\rm +4$价到$\rm +2$价，降低$\rm 4$价，最小公倍数是$\rm 4$，根据电子得失守恒，配平有$\rm Cu_{2}S+2MnO_{2}+8H^{+}=2Cu^{2+}+S+2Mn^{2+}+4H_{2}O$；
②反应中，$\rm MnO_{2}$化合价降低，发生还原反应，是氧化剂，$\rm Cu_{2}S$中$\rm Cu$和$\rm S$化合价均升高，被氧化。
③为防止在酸浸过程中产生$\text{F}{{\text{e}}^{2+}}$，需要加入氧化剂，即配料时应加入过量软锰矿。
步骤Ⅱ是通过调节溶液的酸碱度除去杂质离子。
①若Ⅰ中滤液所含$\text{C}{{\text{u}}^{2+}}$和$\text{M}{{\text{n}}^{2+}}$的浓度均为$1\;\rm \text{mol}\cdot {{\text{L}}^{-1}}$，则Ⅱ中滤液的$\rm pH$范围是 $\lt \text{pH}\lt $ 。
②在除杂过程中可能生成黄铵铁矾沉淀，补全该反应的离子方程式： 。
$\text{NH}_{4}^{+}+$ $\text{F}{{\text{e}}^{3+}}+$ $4\text{SO}_{4}^{2-}+$ $=\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{Fe}_6\left(\mathrm{SO}_4\right)_4(\mathrm{OH})_{12} \downarrow+$
$\\rm 2.8$；$\\rm 4.2$；$\\rm 2\\text{NH}_{4}^{+}+\\rm 6\\text{F}{{\\text{e}}^{3+}}+\\rm 4\\text{SO}_{4}^{2-}+\\rm 12\\text{HCO}_{3}^{-}=\\left(\\mathrm{NH}_4\\right)_2 \\mathrm{Fe}_6\\left(\\mathrm{SO}_4\\right)_4(\\mathrm{OH})_{12} \\downarrow+\\rm 12CO_{2}↑$
"]]①Ⅱ滤液加入适量碳酸氢铵，调节溶液的$\rm pH$的目的是除去$\rm Fe^{3+}$，$\rm Cu^{2+}$和$\rm Mn^{2+}$留在溶液中，故$\rm pH$范围是$\rm 2.8\lt \text{pH}\lt \rm 4.2$；
②在除杂过程中可能生成黄铵铁矾沉淀，该反应为非氧化还原反应，配平为：$\rm 2\text{NH}_{4}^{+}+\rm 6\text{F}{{\text{e}}^{3+}}+\rm 4\text{SO}_{4}^{2-}+\rm 12\text{HCO}_{3}^{-}=\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{Fe}_6\left(\mathrm{SO}_4\right)_4(\mathrm{OH})_{12} \downarrow+\rm 12CO_{2}↑$
步骤Ⅲ和Ⅳ是利用铜盐、锰盐溶解度的差异实现铜、锰元素的分离。
①步骤Ⅲ中析出晶体的主要成分是 $\rm ($填“$\text{CuS}{{\text{O}}_{4}}$”或“$\text{MnS}{{\text{O}}_{4}}$”$\rm )$。
②上述晶体需趁热过滤的原因是 。
$\\text{MnS}{{\\text{O}}_{4}}$；防止硫酸铜析出
"]]①在高温下硫酸铜的溶解度大于硫酸锰的溶解度，故加热蒸发浓缩，先析出硫酸锰晶体；
②然后趁热过滤，防止硫酸铜析出；过滤后得到的滤液冷却后结晶，析出硫酸铜晶体。
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