Question

11．碱式氧化镍（NiOOH）可用作镍氢电池的正极材料，可用废镍催化剂（主要含Ni、Al，少量Cr、FeS等）来制备，其工艺流程如图1：

回答下列问题：
（1）“浸泡除铝”时，发生反应的化学方程式为2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑．
（2）“溶解”时放出的气体为H₂、H₂S（填化学式）．硫酸镍溶液可用于制备合成氨的催化剂Co_nNi_（1-n）Fe₂O₄．如图2表示在其他条件相同时合成氨的相对初始速率随催化剂中n值变化的曲线，由图分析可知Co²⁺、Ni²⁺两种离子中催化效果更好的是Co²⁺．
（3）“氧化”时，酸性条件下，溶液中的Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，其离子方程式为2Fe²⁺+ClO^-+2H⁺=2Fe³⁺+Cl^-+H₂O
（4）已知该条件下金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表：

	开始沉淀的pH	完全沉淀的pH
Ni2+	6.2	8.6
Fe2+	7.6	9.1
Fe3+	2.3	3.3
Cr3+	4.5	5.6

“调pH1”时，溶液pH范围为5.6～6.2；过滤2所得滤渣的成分Cr（OH）₃和Fe（OH）₃（填化学式）．
（5）写出在空气中加热Ni（OH）₂制取NiOOH的化学方程式4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O．
（6）含镍金属氢化物MH-Ni燃料电池是一种绿色环保电池，广泛应用于电动汽车．其中M代表储氢合金，MH代表金属氢化物，电解质溶液可以是KOH水溶液．它的充、放电反应为：xNi（OH）₂+M$?_{充电}^{放电}$MH_x+xNiOOH；电池充电过程中阳极的电极反应式为Ni（OH）₂+OH^--e^-=NiOOH+H₂O；放电时负极的电极反应式为MH_x+xOH^--xe^-=M⁺+xH₂O．

Answer 1

分析 镍催化剂中含Ni 64.0%，Al 24.3%、Fe 1.4%，其余为SiO₂和有机物，废催化剂中加入碱液，Al、SiO₂分别和碱液发生反应2Al+2OH^-+2H₂O═2AlO₂^-+3H₂↑、SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O，然后过滤，滤液A中含有NaAlO₂、Na₂SiO₃，
其余为滤渣a，滤渣a中加入硫酸，金属Fe变为Fe²⁺，Ni变为Ni²⁺，过滤后，其余为滤渣b，滤液B中含有FeSO₄、NiSO₄，向滤液B中加入双氧水的目的是把Fe²⁺氧化为Fe³⁺，以便与调节pH使其生成沉淀除去，即溶液C中含有Fe³⁺、Ni²⁺等，调节pH=6，得到沉淀为Fe（OH）₃，过滤得到滤渣c为Fe（OH）₃，得到滤液D为含有Ni²⁺的溶液，然后继续调节pH值，最后蒸发结晶即可得到目标产物，据此分析解答；
（1）“浸泡除铝”时，利用铝是两性金属，能溶解于NaOH溶液，生成偏铝酸钠和氢气，结合电子守恒和原子守恒，书写化学方程式；
（2）“溶解”时用稀硫酸溶解Ni、Cr及FeS生成盐和氢气或硫化氢，根据反应原理解答；根据图示判断，合成氨始速率越大与Ni²⁺及Co²⁺的关系；
（3）“氧化1”时，酸性条件下，溶液中的Fe²⁺被NaClO氧化为Fe³⁺，根据电子守恒、电荷守恒及原子守恒书写此反应的离子方程式；
（4）根据图表，结合Fe³⁺和Cr²⁺全部沉淀时溶液的pH，镍离子开始沉淀时溶液pH判断调整范围；
（5）在加热条件下Ni（OH）₂与空气中氧气反应得到碱式氧化镍（NiOOH），根据电子守恒和原子守恒书写此反应的化学方程式；
（6）可充电池充电时是原电池，放电时是电解池，充电时的阳极发生氧化反应，放电时阴极发生氧化反应，根据总反应式并结合氧化还原反应理论进行判断．

解答 解：（1）“浸泡除铝”时，发生反应的化学方程式为2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑；
故答案为：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑；
（2）“溶解”时为Ni、Cr、FeS与稀硫酸反应，Ni+H₂SO₄═NiSO₄+H₂↑、Cr+H₂SO₄═CrSO₄+H₂↑、FeS+H₂SO₄═NiSO₄+H₂S↑；由图可知，随n值越大，合成氨的相对初始速率越大，而n增大，Co²⁺的比例增大，故Co²⁺的催化活性更高，
故答案为：H₂、H₂S；Co²⁺；
（3）“氧化1”时，酸性条件下，溶液中的Fe²⁺被NaClO氧化为Fe³⁺，其离子方程式为：ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=2Fe³⁺+Cl^-+2H₂O；
故答案为：ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=2Fe³⁺+Cl^-+2H₂O；
（4）加入Ni（OH）₂调节溶液PH使Fe³⁺和Cr²⁺全部沉淀，镍离子不沉淀，故pH范围为5.6～6.2；
故答案为：5.6～6.2；Cr（OH）₂和Fe（OH）₃；
（5）在加热条件下Ni（OH）₂与空气反应得到碱式氧化镍（NiOOH），化学方程式为：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O；
故答案为：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O；
（6）阳极电极反应方程式为：Ni（OH）₂+OH^--e^-=NiOOH+H₂O；放电为原电池，负极失去电子，发生氧化反应，电极反应方程式为：MH_x+xOH^--xe^-=M⁺+xH₂O，
故答案为：Ni（OH）₂+OH^--e^-=NiOOH+H₂O；MH_x+xOH^--xe^-=M⁺+xH₂O．

点评 本题以化学工艺流程为载体考查物质分离和提纯，涉及基本操作、物质性质、物质分离和提纯、原电池和电解池原理等知识点，明确流程图中各个过程发生的反应、基本操作方法及物质性质是解本题关键，题目难度中等．