Question

4．某化学研究性学习小组通过查阅资料，设计了如下图所示的方法以含镍废催化剂为原料来制备NiSO₄•7H₂O．已知某化工厂的含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）、Fe（1.3%）的单质及氧化物，其他不溶杂质（3.3%）．

部分阳离子以氢氧化物形式开始沉淀和完全沉淀时的pH如下：

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Ni（OH）2
开始沉淀pH	3.4	1.8	7.5	7.2
完全沉淀pH	5.2	3.2	9.7	9.2

回答下列问题：
（1）操作a、c中需使用的仪器除铁架台（带铁圈）、酒精灯、烧杯、玻璃棒外还需要的两种仪器为漏斗、蒸发皿．
（2）“碱浸”过程中发生的离子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O．
“酸浸”时所加入的酸是H₂SO₄（填化学式）．酸浸后，经操作a分离出固体①后，溶液中可能含有的金属离子是Ni²⁺、Fe²⁺．
（3）调节溶液PH为2～3的目的是防止在浓缩结晶过程中Ni²⁺水解．
（4）产品晶体中有时会混有少量绿矾（FeSO₄•7H₂O），其原因可能是H₂O₂的用量不足（或H₂O₂失效）、保温时间不足导致Fe²⁺未被完全氧化造成的．（回答一点即可）
（5）现有100千克含镍催化剂，如果酸浸步骤镍浸出率为a%，其它物质全部参与反应，且假定镍在酸浸后续步骤无损失．操作C后粗晶体中含绿矾b%，则最终能得到粗晶体$\frac{100×64.4%×a%×281}{（1-b%）×59}$千克（Ni-59  NiSO₄•7H₂O-281）（只要求写出计算表达式）．若要进一步提纯晶体，需进行的操作是重结晶．

Answer 1

分析 由流程可知，某化工厂的含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）、Fe（1.3%）的单质及氧化物，其他不溶杂质（3.3%）．碱浸过滤得到固体加入酸浸过滤加入过氧化氢氧化亚铁离子为铁离子，调节溶液PH使铁离子和铝离子全部沉淀，镍离子不沉淀，过滤后调节溶液PH2-3防止镍离子水解，通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到NiSO₄•7H₂O晶体；
（1）依据流程图分析判断，操作a是过滤得到固体和滤液，c是蒸发浓缩得到晶体过滤得到NiSO₄•7H₂O；
（2）含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）的单质及氧化物，铝和氧化铝都可以和强酸强碱反应溶解得到溶液含有偏铝酸盐；依据最后制备NiSO₄•7H₂O，防止引入其他杂志离子需要加入硫酸进行溶解；铁及其化合物、镍和硫酸反应生成亚铁离子和镍离子，过滤后得到溶液为硫酸亚铁和硫酸镍溶液；
（3）调节溶液PH为2～3的目的是为防止镍离子水解生成氢氧化镍沉淀；
（4）含有绿矾晶体说明在加入过氧化氢保温过程中，过氧化氢未把亚铁离子全部氧化；
（5）已知某化工厂的含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）、Fe（1.3%）的单质及氧化物，其他不溶杂质（3.3%），镍元素占有（1-31%-1.3%-3.3%）=64.4%，结合元素守恒计算；

解答 解：（1）操作a是过滤得到固体和滤液，c是蒸发浓缩得到晶体过滤得到NiSO₄•7H₂O；，操作a、c中需使用的仪器除铁架台（带铁圈）、酒精灯、烧杯、玻璃棒外还需要的主要仪器为过滤装置中的漏斗和蒸发浓缩溶液需要的蒸发皿，
故答案为：漏斗、蒸发皿；
（2）“碱浸”过程中是为了除去铝及其氧化物，铝是两性元素和强碱反应，氧化铝是两性氧化物和强碱反应，镍单质和铁及其氧化物不和碱反应达到除去铝元素的目的；反应的两种方程式为：2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+3H₂O，“酸浸”时主要是溶解镍金属和铁单质及其氧化物，依据制备 目的是得到NiSO₄•7H₂O，加入的酸不能引入新的杂质，所以需要加入硫酸进行酸浸；镍、铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁、硫酸镍溶液，
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；H₂SO₄；Ni²⁺、Fe²⁺；
（3）硫酸镍溶液需要蒸发浓缩结晶析出，为防止镍离子水解生成氢氧化镍沉淀，需要控制溶液pH在酸性条件下，
故答案为：防止在浓缩结晶过程中Ni²⁺水解；
（4）产品晶体中有时会混有少量绿矾（FeSO₄•7H₂O），说明在加入过氧化氢氧化剂氧化亚铁离子时未把亚铁离子全部氧化，氢氧化亚铁沉淀的pH大于镍离子沉淀的pH，保温目的是把亚铁离子完全氧化，
故答案为：H₂O₂的用量不足（或H₂O₂失效）、保温时间不足导致Fe²⁺未被完全氧化造成的；
（5）已知某化工厂的含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）、Fe（1.3%）的单质及氧化物，其他不溶杂质（3.3%）．镍元素占有（1-31%-1.3%-3.3%）=64.4%，现有100千克含镍催化剂，如果酸浸步骤镍浸出率为a%，其它物质全部参与反应，且假定镍在酸浸后续步骤无损失．操作C后粗晶体中含绿矾b%，得到
100×64.4%×a%×$\frac{281}{59}$=（1-b%）×m（晶体）
m（晶体）=$\frac{100×64.4%×a%×281}{（1-b%）×59}$kg，若要进一步提纯晶体，需进行的操作是重结晶，
故答案为：$\frac{100×64.4%×a%×281}{（1-b%）×59}$；重结晶；

点评 本题考查了物质分离的实验设计和方法应用，主要是利用溶液不同PH条件下离子沉淀的情况不同，控制溶液PH除去杂质离子，得到较纯净的硫酸镍溶液来制备硫酸镍晶体，同时考查了除杂原则不能引入新的杂质，铝及其化合物性质分析判断，题目难度中等．