Question

20．某化學小組通過查閱資料，設計了如圖所示的方法以含鎳廢催化劑為原料來制備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%）．

部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時的pH如下：

沉淀物	開始沉淀時的pH	完全沉淀時的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”過程中發(fā)生反應的離子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O
（2）“酸浸”時所加入的酸是H₂SO₄（填化學式）．
（3）加入H₂O₂時發(fā)生反應的離子方程式為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)晶過濾洗滌干燥等．
（6）產(chǎn)品晶體中有時會混有少量綠礬（FeS0₄•7H₂0），其原因可能是H₂O₂的用量不足（或H₂O₂失效）、保溫時間不足導致Fe²⁺未被完全氧化造成的（寫出一點即可）．
（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的化學方程式是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堿反應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行溶解；鐵及其化合物、鎳和硫酸反應生成亞鐵離子、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）溶液中得到溶質(zhì)晶體的方法是蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到；
（6）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．
（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，鋁是兩性元素和強堿反應，氧化鋁是兩性氧化物和強堿反應，鎳單質(zhì)和鐵及其氧化物不和堿反應達到除去鋁元素的目的；反應的兩種方程式為：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行酸浸；鎳、鐵和稀硫酸反應生成硫酸亞鐵、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，加入過氧化氫氧化亞鐵離子為鐵離子，其反應的離子方程式為：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）、保溫時間不足導致Fe²⁺未被完全氧化造成的；
（7）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^-；

點評 本題考查了物質(zhì)分離的實驗設計和方法應用、溶度積常數(shù)的有關計算，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．