Question

20．某化學(xué)小組通過(guò)查閱資料，設(shè)計(jì)了如圖所示的方法以含鎳廢催化劑為原料來(lái)制備NiSO₄．已知某化工廠的含鎳廢催化劑主要含有Ni，還含有Al（31%）、Fe（1.3%）的單質(zhì)及氧化物，其他不溶雜質(zhì)（3.3%）．

部分陽(yáng)離子以氫氧化物形式沉淀時(shí)的pH如下：

沉淀物	開(kāi)始沉淀時(shí)的pH	完全沉淀時(shí)的pH
Al（OH）3	3.8	5.2
Fe（OH）3	2.7	3.2
Fe（OH）2	7.6	9.7
Ni（OH）2	7.1	9.2

（1）“堿浸”過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O
（2）“酸浸”時(shí)所加入的酸是H₂SO₄（填化學(xué)式）．
（3）加入H₂O₂時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O
（4）操作b為調(diào)節(jié)溶液的pH，你認(rèn)為pH的調(diào)控范圍是3.2-7.1
（5）操作c為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶過(guò)濾洗滌干燥等．
（6）產(chǎn)品晶體中有時(shí)會(huì)混有少量綠礬（FeS0₄•7H₂0），其原因可能是H₂O₂的用量不足（或H₂O₂失效）、保溫時(shí)間不足導(dǎo)致Fe²⁺未被完全氧化造成的（寫出一點(diǎn)即可）．
（7）NiS0₄•7H₂0可用于制備鎳氫電池（NiMH），鎳氫電池目前已經(jīng)成為混合動(dòng)力汽車的一種主要電池類型．NiMH中的M表示儲(chǔ)氫金屬或合金．該電池在充電過(guò)程中總反應(yīng)的化學(xué)方程式是Ni（OH）₂+M=NiOOH+MH，則NiMH電池放電過(guò)程中，正極的電極反應(yīng)式為NiOOH+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-．

Answer 1

分析 由流程可知，某化工廠的含鎳催化劑主要含有Ni，還含有Al（31%）、Fe（1.3%）的單質(zhì)及氧化物，其他不溶雜質(zhì)（3.3%）．堿浸過(guò)濾得到固體加入酸浸過(guò)濾加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)溶液PH使鐵離子和鋁離子全部沉淀，鎳離子不沉淀，過(guò)濾后調(diào)節(jié)溶液PH2-3防止鎳離子水解，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌得到NiSO₄•7H₂O晶體，
（1）含鎳催化劑主要含有Ni，還含有Al（31%）的單質(zhì)及氧化物，鋁和氧化鋁都可以和強(qiáng)堿反應(yīng)溶解得到溶液含有偏鋁酸鹽；
（2）依據(jù)最后制備NiSO₄•7H₂O，防止引入其他雜志離子需要加入硫酸進(jìn)行溶解；鐵及其化合物、鎳和硫酸反應(yīng)生成亞鐵離子、鐵離子和鎳離子；
（3）加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子，鐵離子易轉(zhuǎn)化為沉淀除去；
（4）依據(jù)氫氧化物沉淀的PH分析判斷，加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子后，調(diào)節(jié)溶液pH使鐵離子全部沉淀，鎳離子不沉淀得到較純凈的硫酸鎳溶液；
（5）溶液中得到溶質(zhì)晶體的方法是蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌得到；
（6）含有綠礬晶體說(shuō)明在加入過(guò)氧化氫保溫過(guò)程中，過(guò)氧化氫未把亞鐵離子全部氧化．
（7）正極上NiOOH得電子生成Ni（OH）₂；

解答 解：由流程可知，某化工廠的含鎳催化劑主要含有Ni，還含有Al（31%）、Fe（1.3%）的單質(zhì)及氧化物，其他不溶雜質(zhì)（3.3%）．堿浸過(guò)濾得到固體加入酸浸過(guò)濾加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)溶液PH使鐵離子和鋁離子全部沉淀，鎳離子不沉淀，過(guò)濾后調(diào)節(jié)溶液PH2-3防止鎳離子水解，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌得到NiSO₄•7H₂O晶體，
（1）“堿浸”過(guò)程中是為了除去鋁及其氧化物，鋁是兩性元素和強(qiáng)堿反應(yīng)，氧化鋁是兩性氧化物和強(qiáng)堿反應(yīng)，鎳單質(zhì)和鐵及其氧化物不和堿反應(yīng)達(dá)到除去鋁元素的目的；反應(yīng)的兩種方程式為：2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+3H₂O，
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；
（2））“酸浸”時(shí)主要是溶解鎳金屬和鐵單質(zhì)及其氧化物，依據(jù)制備目的是得到NiSO₄•7H₂O，加入的酸不能引入新的雜質(zhì)，所以需要加入硫酸進(jìn)行酸浸；鎳、鐵和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵、硫酸鎳溶液，則酸浸后，經(jīng)操作a分離出固體①后，溶液中可能含有的金屬離子是Ni²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺；
故答案為：H₂SO₄；
（3）鐵離子易轉(zhuǎn)化為沉淀除去，加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子，其反應(yīng)的離子方程式為：H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（4）依據(jù)圖表中沉淀需要的溶液pH，加入過(guò)氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子后，調(diào)節(jié)溶液pH使鐵離子全部沉淀，鎳離子不沉淀得到較純凈的硫酸鎳溶液，pH應(yīng)在3.2-7.1間，
故答案為：3.2-7.1；
（5）溶液中得到溶質(zhì)晶體的方法是蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌，操作c為蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，
故答案為：蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶；
（6）產(chǎn)品晶體中有時(shí)會(huì)混有少量綠礬（FeSO₄•7H₂O），說(shuō)明在加入過(guò)氧化氫氧化劑氧化亞鐵離子時(shí)未把亞鐵離子全部氧化，氫氧化亞鐵沉淀的pH大于鎳離子沉淀的pH，保溫目的是把亞鐵離子完全氧化，
故答案為：H₂O₂的用量不足（或H₂O₂失效）、保溫時(shí)間不足導(dǎo)致Fe²⁺未被完全氧化造成的；
（7）NiMH電池放電過(guò)程中，正極上NiOOH得電子生成Ni（OH）₂，則正極的電極方程式為：NiOOH+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-，
故答案為：NiOOH+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-；

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法應(yīng)用、溶度積常數(shù)的有關(guān)計(jì)算，主要是利用溶液不同PH條件下離子沉淀的情況不同，控制溶液PH除去雜質(zhì)離子，得到較純凈的硫酸鎳溶液來(lái)制備硫酸鎳晶體，同時(shí)考查了除雜原則不能引入新的雜質(zhì)，鋁及其化合物性質(zhì)分析判斷，題目難度中等．