Question

12．纳米材料镍粉（Ni）是一种高性能电极材料．其制备过程如下：
步骤I：取0.2mol•L^-1的硝酸镍溶液，调节pH除铁后，加入活性炭过滤．
步骤Ⅱ：向所得滤液中滴加1.5mol•L^-1的NaHCO₃溶液使Ni²⁺完全沉淀，生成xNiCO₃•yNi（OH）₂•zH₂O．
步骤Ⅲ：将产生的沉淀用大量高纯水清洗并用离心机甩干．
步骤Ⅳ：加入稍过量的肼溶液（N₂H₄•H₂O），使上述沉淀还原完全，将生成的Ni水洗后，再用95%的乙醇浸泡后晾干．
（1）步骤I中去除杂质Fe³⁺（使其浓度＜10^-6mol•L^-1），需调节溶液pH的范围为3～7．（K_sp[Ni（OH）₂]=2×10^-15，K_sp[Fe（OH）₃]=1×10^-39）
（2）当x：y：z=1：1：1时，写出步骤Ⅱ中产生沉淀的离子方程式：2Ni²⁺+4HCO₃^-=NiCO₃•Ni（OH）₂•H₂O↓+3CO₂↑．
（3）步骤Ⅳ中采用95%的乙醇浸泡的目的是除去水，便于快速晾干．
（4）为测定xNiCO₃•yNi（OH）₂•zH₂O的组成，进行如下实验：
①准确称取7.54g样品与过量的肼溶液（N₂H₄•H₂O）充分反应，共收集到1.12LN₂和CO₂混合气体（已换算成标准状况）．
②另取等质量的样品充分灼烧，冷却后称得残留固体NiO的质量为4.5g．通过计算确定xNiCO₃•yNi（OH）₂•zH₂O的化学式（写出计算过程）．

Answer 1

分析 （1）已知：c（Ni²⁺）=0.2mol/L，去除杂质Fe³⁺（使其浓度＜10^-6mol•L^-1），而不除去镍离子，应满足c（Fe³⁺）×c³（OH^-）＞1×10^-39，c（Ni²⁺）×c²（OH^-）＜2×10^-15，以此可计算c（OH^-），进而计算pH；
（2）当x：y：z=1：1：1时，向所得滤液中滴加1.5mol•L^-1的NaHCO₃溶液使Ni²⁺完全沉淀，生成NiCO₃•Ni（OH）₂•H₂O，根据质量守恒书写即可；
（3）乙醇与水混溶，易挥发，除去水，便于快速晾干；
（4）根据共收集到1.12LN₂和CO₂，残留固体NiO的质量为4.5g，则n（CO₂）+n（N₂）=$\frac{1.12L}{22.4L•mol-1}$=0.05mol；n（NiO）=$\frac{4.5g}{75g•mol-1}$=0.06mol，
设7.54g样品中含有NiCO₃、Ni（OH）₂的物质的量分别为a、b，则有：
a+$\frac{a+b}{2}$=0.05mol
a+b=0.06mol
解得a、b，由此计算结晶水的物质的量，可得．

解答 解：（1）已知：K_sp[Ni（OH）₂]=c（Ni²⁺）×c²（OH^-）=2×10^-15，K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=1×10^-39，去除杂质Fe³⁺（使其浓度＜10^-6mol•L^-1），则c（OH^-）＞$\root{3}{\frac{1×1{0}^{-39}}{1×1{0}^{-6}}}$=10^-11mol•L^-1，pH＞3，不沉淀镍离子，则c（OH^-）＜$\sqrt{\frac{2×1{0}^{-15}}{0.2}}$=10^-7mol•L^-1，pH＜7，pH的范围为3～7；
故答案为：3～7；
（2）当x：y：z=1：1：1时，向所得滤液中滴加1.5mol•L^-1的NaHCO₃溶液使Ni²⁺完全沉淀，生成NiCO₃•Ni（OH）₂•H₂O，离子方程式为：2Ni²⁺+4HCO₃^-=NiCO₃•Ni（OH）₂•H₂O↓+3CO₂↑；
故答案为：2Ni²⁺+4HCO₃^-=NiCO₃•Ni（OH）₂•H₂O↓+3CO₂↑；
（3）乙醇与水混溶，易挥发，除去水，便于快速晾干；
故答案为：除去水，便于快速晾干；
（4）n（CO₂）+n（N₂）=$\frac{1.12L}{22.4L•mol-1}$=0.05mol；n（NiO）=$\frac{4.5g}{75g•mol-1}$=0.06mol，
设7.54g样品中含有NiCO₃、Ni（OH）₂的物质的量分别为a、b，则有：
a+$\frac{a+b}{2}$=0.05mol
a+b=0.06mol
解得：a=0.02 mol、b=0.04 mol，
7.54g样品中含有结晶水的物质的量：
n（H₂O）=（7.54g-0.02mol×119 g•mol^-1-0.04mol×93 g•mol^-1）÷18 g•mol^-1=0.08 mol
n（NiCO₃）：n[Ni（OH）₂]：n （H₂O）=0.02 mol：0.04 mol：0.08 mol=1：2：4
故该样品的化学式为NiCO₃•2Ni（OH）₂•4H₂O；
答：该样品的化学式为NiCO₃•2Ni（OH）₂•4H₂O．

点评 本题考查了物质的制备，涉及对反应原理的理解、氧化还原反应、对条件的控制选择与理解、溶度积的计算、物质组成测定的计算等，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础与数据处理能力，题目难度中等．