Question

1．某化學(xué)小組通過查閱資料，設(shè)計(jì)了如下圖所示的方法以含鎳廢催化劑為原料來制備NiSO₄•7H₂O．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%）．

部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時(shí)的pH如下：

沉淀物	開始沉淀時(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
Ai（OH）2	7.1	9.2

（1）“堿浸”過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+3H₂O．
（2）“酸浸”時(shí)所加入的酸是H₂SO₄ （填化學(xué)式）；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⁺．
（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）產(chǎn)品晶體中有時(shí)會混有少量綠礬（FeSO₄•7H₂O），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）．
（6）NiS0₄•7H₂0可用于制備鎳氫電池（NiMH），鎳氫電池目前已經(jīng)成為混合動力汽車的一種主要電池類型．NiMH中的M表示儲氫金屬或合金．該電池在充電過程中總反應(yīng)的化學(xué)方程式是Ni（OH）₂+M=NiOOH+MH，則NiMH電池放電過程中，正極的電極反應(yīng)式為NiOOH+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-．
（7）一般認(rèn)為殘留在溶液中的離子濃度小于1×10^-5 mol/L時(shí)，沉淀已經(jīng)完全．請利用上表中數(shù)據(jù)，估算Fe（OH）₂的溶度積常數(shù)1×10^-13.6（mol/L）³，和可逆反應(yīng)Fe²⁺+2H₂O=2H⁺+Fe（OH）₂ 在25℃時(shí)的平衡常數(shù)1×10^-14.4（mol/L）．

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%）．堿浸過濾得到固體加入酸浸過濾加入過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，過濾后調(diào)節(jié)溶液PH2-3防止鎳離子水解，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到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）含有綠礬晶體說明在加入過氧化氫保溫過程中，過氧化氫未把亞鐵離子全部氧化．
（6）正極上NiOOH得電子生成Ni（OH）₂；
（7）已知?dú)溲趸瘉嗚F完全沉淀時(shí)pH=9.7，則c（OH^-）=10^-4.3mol/L，根據(jù)Ksp[Fe（OH）₂]=c（Fe²⁺）×c²（OH^-）計(jì)算；可逆反應(yīng)Fe²⁺+2H₂O=2H⁺+Fe（OH）₂ 的平衡常數(shù)表達(dá)是K=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（F{e}^{2+}）}$，結(jié)合c（H⁺）和c（Fe²⁺）計(jì)算．

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%）．堿浸過濾得到固體加入酸浸過濾加入過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，過濾后調(diào)節(jié)溶液PH2-3防止鎳離子水解，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到NiSO₄•7H₂O晶體；
（1）“堿浸”過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；Ni²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺；
（3）鐵離子易轉(zhuǎn)化為沉淀除去，加入過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）產(chǎn)品晶體中有時(shí)會混有少量綠礬（FeSO₄•7H₂O），說明在加入過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；
（6）NiMH電池放電過程中，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^-；
（7）一般認(rèn)為殘留在溶液中的離子濃度小于1×10^-5 mol/L時(shí)，沉淀已經(jīng)完全，已知?dú)溲趸瘉嗚F完全沉淀時(shí)pH=9.7，則c（OH^-）=10^-4.3mol/L，
則Ksp[Fe（OH）₂]=c（Fe²⁺）×c²（OH^-）=1×10^-5 mol/L×（10^-4.3mol/L）²=10^-13.6（mol/L）³；
可逆反應(yīng)Fe²⁺+2H₂O=2H⁺+Fe（OH）₂ 的平衡常數(shù)表達(dá)是K=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（F{e}^{2+}）}$=$\frac{（1{0}^{-9.7}）^{2}}{1×1{0}^{-5}}$=10^-14.4mol/L；
故答案為：10^-13.6（mol/L）³；10^-14.4mol/L．

點(diǎn)評 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．