题目内容

【题目】蛇纹石(含MgO、NiO、SiO2、Fe2O3、FeO等)因其外表青绿相问像蛇纹一样而得名。一种以蛇纹石为原料制取铁红和碱式碳酸镍[Ni3(OH)4CO34H2O]的流程如图:

已知:Ⅰ.该实验温度下,不同pH时铁沉淀物成分及热分解产物:

pH

铁沉淀物成分

热分解产物

2.5

NH4Fe3(SO4)2(OH)6

Fe2O3,SO2,SO3,NH3,O2,H2O

3.5

α-FeOOH

Fe2O3,H2O

Ⅱ.部分金属离子沉淀的pH:

Mg2+

Fe2+

Ni2+

开始沉淀的pH

9.4

6.5

6.7

沉淀完全的pH

12.4

9.7

9.5

Ⅲ.“氨浸“后所得溶液中主要成分为[Ni(NH3)6]2+,且存在[Ni(NH3)6]2+ Ni2++6NH3请回答:

(1)滤饼a的主要成分为___。

(2)滤饼b经洗涤、煅烧可得铁红。则“一次沉淀”时应控制pH=__(填“2.5或“3.5”),其原因为___。

(3)“氨浸”时生成[Ni(NH3)6]2+的离子方程式为___;此过程会同时加入 NH4HCO3,其目的为___。

(4)“沉淀”前须先”酸化”,用平衡移动原理解释其原因为__。

(5)实验室测得Ni3(OH)4CO34H2O(M=377)样品在空气中受热时样品失重率(失重率=固体样品损失的总质量/起始加入样品的质量×100%)与温度(T)的关系如图所示。

①200oC时所得固体的化学式为___。

②250~350oC之间反应的化学方程式为___。

(6)碱式碳酸镍可进一步转化制得镍氢电池。镍氢电池的工作原理为:Ni(OH)2+MNiOOH+MH(M表示储氢金属或合金)。该电池充电过程中阴极的电极反应式为___。

【答案】SiO2 3.5 pH=3.5时,氧化铁产率高 Ni(OH)2+6NH3H2O=[Ni(NH3)6]2++2OH-+6H2O NH4++OH-NH3H2O,消耗OH-,有利于Ni(OH)2的溶解,HCO3-+OH-CO32-+H2O也消耗OH-,有利于Ni(OH)2的溶解,同时NH4++OH-NH3H2O,可以降低原料NH3H2O的用量 H+与NH3反应,促使[Ni(NH3)6]2+Ni2++6NH3正向移动,生成更多的Ni2+,有利于后续获得更多产品碱式碳酸镍 Ni3(OH)4CO3 Ni3(OH)4CO33NiO+2H2O↑+CO2↑ M+H2O+e-=MH+OH-

【解析】

根据流程:蛇纹石(含MgO、NiO、SiO2、Fe2O3、FeO等)用硫酸酸浸,SiO2不溶,过滤得到含有Mg2+、Ni2+、Fe2+、Fe3+的溶液,滤饼a的主要成分为SiO2,加入氨水调节pH=3.5,得到沉淀α-FeOOH,经洗涤、煅烧可得铁红,滤液中加氨水调节pH沉淀Ni2+、Fe2+,过滤得到Ni(OH)2、Fe(OH)2,用氨水氨浸沉淀溶解Ni(OH)2,Ni(OH)2+6NH3H2O=[Ni(NH3)6]2++2OH-+6H2O,同时加入NH4HCO3促进Ni(OH)2的溶解,滤饼c为Fe(OH)2,将含有[Ni(NH3)6]2+的滤液用硫酸酸化得到Ni2+,再用碳酸钠沉淀得到Ni3(OH)4CO34H2O。

(1)SiO2不溶于硫酸,滤饼a的主要成分为SiO2;

(2)滤饼b经洗涤、煅烧可得铁红,由表可知,pH=3.5时,氧化铁产率高,故调节pH=3.5沉淀Fe3+;

(3)根据分析,“氨浸”时Ni(OH)2生成[Ni(NH3)6]2+,反应为:Ni(OH)2+6NH3H2O=[Ni(NH3)6]2++2OH-+6H2O;此过程会同时加入NH4HCO3,因为存在NH4++OH-NH3H2O,消耗OH-,有利于Ni(OH)2的溶解,HCO3-+OH-CO32-+H2O也消耗OH-,有利于Ni(OH)2的溶解,同时NH4++OH-NH3H2O,可以降低原料NH3H2O的用量;

(4)已知,“氨浸“后所得溶液中主要成分为[Ni(NH3)6]2+,且存在[Ni(NH3)6]2+Ni2++6NH3,加入硫酸酸化,H+与NH3反应,促使[Ni(NH3)6]2+Ni2++6NH3正向移动,生成更多的Ni2+,有利于后续获得更多产品碱式碳酸镍;

(5)①Ni3(OH)4CO34H2O(M=377)中,w(H2O)=×100%=19.1%,由图可知,200oC时,失重率=19.1%,说明样品失去结晶水,此时的固体物质为Ni3(OH)4CO3;

②由图可知,250℃时物体为Ni3(OH)4CO3,300℃后固体物质不再变化,为镍的氧化物,设样品为1mol,300℃后,则根据镍元素守恒,最终的固体产物中含有3mol镍元素,此时固体物质的的质量为:377g-377g×(1-40.3%)=151.731g,其中n(O)==3,故n(Ni):n(O)=1:1,此时固体物质为NiO,故250~350oC之间反应的化学方程式为:Ni3(OH)4CO33NiO+2H2O↑+CO2↑;

(6)镍氢电池的工作原理为:Ni(OH)2+MNiOOH+MH,充电时阴极得电子发生还原反应,则为水中氢离子放电生成氢后被M储存,电极反应为:M+H2O+e-=MH+OH-。

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