Question

人造金刚石酸洗废液中含有大量的Ni²⁺、Mn²⁺、Co²⁺等离子．某厂技术人员设计了如下方案，使上述离子的浓度降低到排放标准，且得到了纯度较高的镍粉．
Ⅰ．废液组成：

金属元素	Ni	Mn	Co	Fe	Cu	Zn
浓度（g?L-1）	45	15	7.5	≤0.1	≤0.05	≤0.05

Ⅱ．处理方案：
步骤1：调节pH：向强酸性溶液中加入NaOH溶液调节pH到2．
此步骤中工业上不直接使用饱和Na₂CO₃溶液来调节溶液的pH的原因可能是________．
步骤2：除去Mn²⁺、Co²⁺离子：在搅拌下加入适量饱和Na₂CO₃溶液和NaClO溶液并控制pH≤3.5，过滤．
①Mn²⁺反应生成MnO₂同时放出CO₂，写出此反应的离子方程式：________．
②Co²⁺反应生成Co（OH）₃沉淀同时放出CO₂，写出此反应的离子方程式：________；
Ni²⁺可反应生成Ni（OH）₃沉淀，Co²⁺可使Ni（OH）₃转化为Co（OH）₃沉淀，写出Ni（OH）₃转化为Co（OH）₃的离子方程式：________．
③此步骤中必须控制好NaClO溶液的用量，其原因可能是________．
步骤3：回收镍以铅片为阳极，镍铬钛不锈钢片为阴极，电解步骤2中所得滤液，在阴极得到镍粉．电解过程中电流效率与pH的关系如图，分析图表，回答下列问题：
①pH较低时，电流效率低的原因可能是：________．
②电解的最佳pH范围是：________（填序号）．
A．3.0～3.5　　　 B．3.5～4.0　 C．4.0～4.5　　　 D．4.5～5.0．

Answer 1

产生大量的CO₂不利于工业生产    Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑    2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑，    Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺    使Mn²⁺，Co²⁺沉淀完全而Ni²⁺不被沉淀．    产生大量氢气    C
分析：步骤1：饱和Na₂CO₃溶液能与酸反应生成二氧化碳气体；
步骤2：①Mn²⁺被ClO^-氧化成+4价的Mn，以MnO₂的形式被除去，ClO^-被还原成Cl^-，同时放出CO₂，根据化合价升降相等以及原子守恒配平；
②Co²⁺被ClO^-氧化成+3价的Co，以Co（OH）₃的形式被除去，ClO^-被还原成Cl^-，同时放出CO₂，根据化合价升降相等以及原子守恒配平；根据题目信息即可完成；
③Ni（Ⅲ）和Co（Ⅲ）都有很强的氧化性，但Ni（Ⅲ）非常不稳定，氧化性比Co（Ⅲ）化合物的氧化性强，因此只要ClO^-适量，即使Ni²⁺被氧化生成了三价镍的化合物，也会被未参加反应的Co²⁺、Mn²⁺还原为Ni²⁺．因此防止Ni²⁺被沉淀的方法就是控制ClO^-的用量．
步骤3：从图中曲线变化趋势可以看出，当溶液酸性较大时，电解效率很低，随着pH的增大，电解效率增大，但是当pH＞4.5后，电解率与溶液pH变化不明显．因此此处要重点分析pH较小时电解效率不高，以及pH较大时电解效率也不高的原因．由于H⁺、Ni²⁺都能在电极的阴极放电，所以当pH较小，也即[H⁺]较大时，将产生大量的氢气，造成电解效率较低．当pH较大时，由于Ni²⁺生成了难溶物，溶液中[Ni²⁺]减小，也造成电解效率低．因此，从图中可以看出来，最佳的pH范围大约为4.0～4.5．
解答：步骤1：饱和Na₂CO₃溶液能与酸反应生成二氧化碳气体，产生大量的CO₂不利于工业生产，故答案为：产生大量的CO₂不利于工业生产；
步骤2：①Mn²⁺被ClO^-氧化成+4价的Mn，以MnO₂的形式被除去，ClO^-被还原成Cl^-，同时放出CO₂，离子方程式为：Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑，故答案为：
Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑；
②Co²⁺被ClO^-氧化成+3价的Co，以Co（OH）₃的形式被除去，ClO^-被还原成Cl^-，同时放出CO₂，离子方程式为：2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2 Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑，故答案为：
2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2 Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑；
Ni²⁺可反应生成Ni（OH）₃沉淀，Co²⁺可使Ni（OH）₃转化为Co（OH）₃沉淀，离子方程式为：Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺，故答案为：Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺；
③Ni（Ⅲ）和Co（Ⅲ）都有很强的氧化性，但Ni（Ⅲ）非常不稳定，氧化性比Co（Ⅲ）化合物的氧化性强，因此只要ClO^-适量，即使Ni²⁺被氧化生成了三价镍的化合物，也会被未参加反应的Co²⁺、Mn²⁺还原为Ni²⁺，因此防止Ni²⁺被沉淀的方法就是控制ClO^-的用量，故答案为：Mn²⁺，Co²⁺沉淀完全而Ni²⁺不被沉淀；
步骤3：从图中曲线变化趋势可以看出，当溶液酸性较大时，电解效率很低，随着pH的增大，电解效率增大，但是当pH＞4.5后，电解率与溶液pH变化不明显．因此此处要重点分析pH较小时电解效率不高，以及pH较大时电解效率也不高的原因．由于H⁺、Ni²⁺都能在电极的阴极放电，所以当pH较小，也即[H⁺]较大时，将产生大量的氢气，造成电解效率较低．当pH较大时，由于Ni²⁺生成了难溶物，溶液中[Ni²⁺]减小，也造成电解效率低．因此，从图中可以看出来，最佳的pH范围大约为4.0～4.5．
故答案为：①产生大量氢气；②C
点评：本题主要考查了金属的回收，主要涉及到氧化还原反应的知识，要学会灵活运用知识的能力，难度较大．