實驗室二氧化錳制備碳酸錳的設計方案比較

1 前言

MnCO3俗稱“錳白”，在工業上廣泛用作脫硫催化劑、瓷釉顏料、清漆催干劑，也是制造其他錳鹽的良好材料，同時用于機械零件和磷化處理等方面[1]，所以如果能在實驗室里通過較簡便的方法制備MnCO3是一件很有意義的工作。由MnO2制備MnCO3的實驗的關鍵步驟是將MnO2還原成Mn2+這個過程中選擇什么還原劑，所以各個方案的比較即是各個方案中所選取的還原劑的優缺點比較。

由MnO2制備MnCO3的實驗流程：

MnO2→Mn2+→(CO32-) MnCO3

2 各個實驗方案的羅列及比較

2.1 C粉高溫法

C+MnO2→（高溫）Mn→（H2SO4）Mn2+→(CO32-) MnCO3。該方法需要高溫，這就需要用到酒精噴燈，能源消耗大。另外，C在高溫加熱條件下會生成CO等污染氣體，如果操作不慎，CO氣體產生得較多會使實驗者有CO中毒的危險，故而這個方案不宜在實驗室里進行操作。

2.2 Fe2+法

MnO2+Fe2+→Mn2++Fe3+。要使Mn2+穩定存在于溶液中，溶液的pH要保持在3～7之間，這樣的偏酸性條件會使Fe3+變成Fe(OH)3（使Fe3+完全沉淀的pH=2～3）。另外要制備MnCO3，就要向溶液中加入CO32-或HCO3-，而FeCO3和Mn(OH)2都是沉淀，Fe(OH)3也是紅褐色沉淀，所以要通過控制溶液的酸堿度使Fe3+預先沉淀掉才可以制備得到較純凈的MnCO3，但這樣操作較麻煩。另外，Fe3+、Fe2+也容易形成膠體，一旦有MnCO3沉淀產生，對膠體的吸附作用是不可避免的，故而所制得的MnCO3會含有雜質，后續的洗滌除雜較麻煩。另外，實驗操作步驟增多也會影響到生產率。

2.3 I-法

該法由于I-在溶液中的溶解度不大，要保證氧化還原反應能較徹底地進行，就要保證I-在溶液中的濃度。I-+I2→I3-，I3-是配離子，一般較穩定，I3-和MnO2反應會困難一些。另外，產物中會有I2，I2是有毒的，但可以通過加萃取劑，將其萃取到燒杯底部，使其不易揮發出來。由于萃取作用是根據相似相溶原則，I-也會溶于下層萃取劑層，使和MnO2反應的I-的量大大減少。另外，萃取劑一般是不與水互溶的，故而這就隔離了MnO2和I-反應。總的來說，該法在產率方面較其他方法差一些。

2.4 濃HCl法

該種方法最大的缺點在于它的產物中會出現Cl2劇毒物，是污染氣體，不符合綠色化學實驗的要求。另外，該方法和H2O2法有相似的缺點，即無法很好地控制濃鹽酸使用的量。

2.5 濃H2SO4法

4MnO2+6H2SO4（濃）=2Mn2(SO4)3+6H2O+O2↑。紫色的Mn2(SO4)3不穩定，會轉化為MnSO4，故總反應為2MnO2+2H2SO4（濃）=2MnSO4+2H2O+O2↑。該方法雖說比濃HCl法（要產生Cl2）要好一些，但是仍存在缺點。該反應過于劇烈，產生的O2氣泡極具膨脹，會帶走許多MnO2原材料。另外，溶液是呈現強酸性的，再加入CO32-或HCO3-使Mn2+轉化成為MnCO3沉淀較其他方法困難一些。

2.6 Na2SO3法[2]

該方法的缺點在于會產生污染氣體SO2，Na2SO3必須分批加入，操作較繁瑣。另外，引入的Na2SO4比較難除去。

2.7 H2O2法

這種方法的好處是H2O2是一種綠色環保試劑，但明顯的缺點是很難控制溶液的pH值和H2O2的滴加速度。將H2O2（一般用30%）溶液中加入H2SO4溶液以后再加到裝有MnO5的燒杯中，該反應極為劇烈，又極難控制各物質的量的比例。若H2O2加過量就會把Mn2+氧化成Mn4+（因H2O2具有氧化還原兩性），若H2O2加過少就難以將Mn4+完全還原成Mn2+，故而H2O2的加入量要嚴格控制。但是在實踐操作中是極難做到的，經過實踐證明用這個方法不易成功，制得的MnCO3也會含有許多雜質Mn4+，故而制得的MnCO3的顏色不是肉色，而是夾雜著黑褐色或深紅色。

2.8 H2C2O4法

C2O42-+H++MnO2→Mn2++H2O+CO2。這個方案的優點就是H2C2O4是一種很溫和的還原劑，反應活性也不錯，這樣就不會像H2O2法那樣出現反應過于劇烈和溶液pH難以控制的局面。另外，根據反應方程式，它的產物是H2O和CO2，用玻璃棒攪拌反應液CO2便會溢出反應體系，這樣就不會引入其他的雜質，為后續的洗滌除雜提供了方便。

在實驗室里比較適合讓學生進行實驗操作的是H2O2法和H2C2O4法。下面用表1著重討論一下這兩種方法的優缺點。

3 討論比較的結論

綜合比較以上各種方法的優缺點，可以得出結論：實驗室中由MnO2制備MnCO3采取H2C2O4法是最合適的，這種方法具有條件易于控制、反應條件溫和、易于提存等優點，適合在實驗室里推廣并適合學生進行實驗設計，掌握無機化合物的制備方法。

參考文獻

[1]李方實，劉寶春，張娟.無機化學與分析化學實驗[M]北京:化學工業出版社，2006:37

[2]郎建平，卞國慶.無機化學實驗[M].南京:南京大學出版社，2009:169-170

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文