Question

19．酸性鋅錳干電池是一種一次電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是有碳粉，二氧化錳，氯化鋅和氯化銨等組成的填充物，該電池在放電過程產(chǎn)生MnOOH，回收處理該廢電池可以得到多種化工原料，有關數(shù)據(jù)下表所示：
溶解度/（g/100g水）

溫度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

化合物	Zn（OH）2	Fe（OH）2	Fe（OH）3
Ksp近似值	10-17	10-17	10-39

回答下列問題：
（1）該電池的正極反應式為MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH，電池反應的離子方程式為：2MnO₂+Zn+2H⁺=2MnOOH+Zn²⁺．
（2）維持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，理論消耗鋅0.05g．（已經(jīng)F=96500C/mol）
（3）廢電池糊狀填充物加水處理后，過濾，濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，兩者可以通過加熱濃縮冷卻結(jié)晶分離回收，濾渣的主要成分是MnO₂、碳粉和MnOOH，欲從中得到較純的MnO₂，最簡便的方法是空氣中加熱，其原理是碳粉轉(zhuǎn)變?yōu)槎�氧化碳，MnOOH氧化為二氧化錳．
（4）用廢電池的鋅皮制作ZnSO₄•7H₂O的過程中，需除去鐵皮中的少量雜質(zhì)鐵，其方法是：加入稀H₂SO₄和H₂O₂，溶解，鐵變?yōu)镕e³⁺加堿調(diào)節(jié)pH為2.7時，鐵剛好沉淀完全（離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1時，即可認為該離子沉淀完全）．繼續(xù)加堿調(diào)節(jié)pH為6時，鋅開始沉淀（假定Zn²⁺濃度為0.1mol•L^-1）．若上述過程不加H₂O₂的后果是Zn²⁺和Fe²⁺分離不開，原因是Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近．

Answer 1

分析 （1）該電池的正極發(fā)生還原反應，MnO₂被還原生成MnOOH；負極鋅被氧化生成Zn²⁺，以此書寫電池總反應式；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，以此計算消耗鋅的質(zhì)量、物質(zhì)的量；
（3）填充物含有碳粉、二氧化錳，且生成MnOOH等，在空氣中加熱時，碳粉、MnOOH可被氧化；
（4）鐵加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，鐵剛好沉淀完全時離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，結(jié)合Ksp=10^-39計算pH，并根據(jù)Ksp計算鋅開始沉淀的pH．

解答 解：（1）該電池的正極發(fā)生還原反應，MnO₂被還原生成MnOOH，電極方程式為MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH，負極鋅被氧化生成Zn²⁺，電池總反應式為2MnO₂+Zn+2H⁺=2MnOOH+Zn²⁺，
故答案為：MnO₂+H⁺+e^-=MnOOH；2MnO₂+Zn+2H⁺=2MnOOH+Zn²⁺；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作五分鐘，則電量為0.5A×300s=150C，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為$\frac{150C}{96500C/mol}$，則消耗Zn的質(zhì)量為$\frac{150C}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.05g，
故答案為：0.05；
（3）濾液中主要有ZnCl₂和NH₄Cl，可通過加熱濃縮、冷卻結(jié)晶得到晶體，填充物含有碳粉、二氧化錳，且生成MnOOH等，在空氣中加熱時，碳粉、MnOOH可被氧化，分別生成二氧化碳和二氧化錳，故答案為：加熱濃縮；冷卻結(jié)晶；碳粉；MnOOH；空氣中加熱；碳粉轉(zhuǎn)變?yōu)槎�氧化碳，MnOOH氧化為二氧化錳；
（4）鐵加入稀H₂SO₄和H₂O₂，可被氧化生成Fe³⁺，鐵剛好沉淀完全時離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，因Ksp=10^-39，
則c（OH^-）=$\root{3}{\frac{1{0}^{-39}}{1×1{0}^{-5}}}$mol/L≈0.5×10^-11mol/L，此時pH=2.7，
如鋅開始沉淀，則c（OH^-）=$\sqrt{\frac{1{0}^{-17}}{0.1}}$mol/L=10^-8mol/L，此時pH=6，
由表中數(shù)據(jù)可知Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近，如不加H₂O₂，則Zn²⁺和Fe²⁺分離不開，
故答案為：Fe³⁺；2.7；6；Zn²⁺和Fe²⁺分離不開；Zn（OH）₂、Fe（OH）₂的Ksp相近．

點評 本題為2015年新課標卷考題，考查原電池知識以及物質(zhì)的分離、提純，側(cè)重于原電池的工作原理以及實驗基本操作和注意問題，題目難度中等，有利于培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng)．