Question

8．镍电池广泛应用于混合动力汽车系统，电极材料由Ni（OH）₂、碳粉、氧化铁等涂覆在铝箔上制成．由于电池使用后电极材料对环境有危害．某兴趣小组对该电池电极材料进行资源回收研究，设计实验流程如下：

已知：①NiCl₂易溶于水，Fe³⁺不能氧化Ni²⁺．②已知实验温度时的溶解度：NiC₂O₄＞NiC₂O₄．•H₂O＞NiC₂O₄•2H₂O   ③K_sp （Ni（OH）₂）：5.0×10^-16，K_sp （NiC₂O₄）：4.0×10^-10
回答下列问题：
（1）酸溶后所留残渣的主要成份碳粉 （填物质名称）．
（2）用NiO调节溶液的pH，析出沉淀的成分为Fe（OH）₃、Al（OH）₃（填化学式）；
（3）写出加入Na₂C₂O₄溶液后反应的化学方程式Na₂C₂O₄+NiCl₂+2H₂O=2NaCl+NiC₂O₄•2H₂O↓．
（4）写出加入NaOH溶液所发生反应的离子方程式NiC₂O₄+2OH^-?Ni（OH）₂+C₂O₄^2-，该反应的平衡常数为8×10⁵ L/mol．
（5）写出电解时阴极的电极反应式2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-，沉淀Ⅲ可被电解所得产物之一氧化，写出氧化反应的离子方程式：2Ni（OH）₂+2OH^-+Cl₂═2Ni（OH）₃+2Cl^-．

Answer 1

分析 将废旧镍电池电极材料溶于稀盐酸，发生反应Ni（OH）₂+2HCl=NiCl₂+2H₂O、Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O、2Al+6HCl=2AlCl₃+3H₂↑，过滤得到的残渣是C，向滤液中加入NiO，条件溶液的pH，根据流程图知，生成的沉淀应该是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，然后向滤液中加入Na₂C₂O₄溶液，发生反应NiCl₂+Na₂C₂O₄=NiC₂O₄↓+2NaCl，过滤，将滤液电解，阳极上氯离子放电生成氯气、阴极上氢离子放电生成氢气，过滤得到的NiC₂O₄和NaOH反应生成Ni（OH）₂，用氯气将Ni（OH）₂氧化生成Ni（OH）₃，最后洗涤沉淀得到较纯净的Ni（OH）₃，根据铁镍蓄电池放电时总反应：Fe+Ni₂O₃+3H₂O═Fe（OH）₂+2Ni（OH）₂，可判断电解液为碱性，充电时消耗氢氧根，阴极附近溶液的pH升高，据此分析解答．

解答 解：将废旧镍电池电极材料溶于稀盐酸，发生反应Ni（OH）₂+2HCl=NiCl₂+2H₂O、Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O、2Al+6HCl=2AlCl₃+3H₂↑，过滤得到的残渣是C，向滤液中加入NiO，条件溶液的pH，根据流程图知，生成的沉淀应该是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，然后向滤液中加入Na₂C₂O₄溶液，发生反应NiCl₂+Na₂C₂O₄=NiC₂O₄↓+2NaCl，过滤，将滤液电解，阳极上氯离子放电生成氯气、阴极上氢离子放电生成氢气，过滤得到的NiC₂O₄和NaOH反应生成Ni（OH）₂，用氯气将Ni（OH）₂氧化生成Ni（OH）₃，根据铁镍蓄电池放电时总反应：Fe+Ni₂O₃+3H₂O═Fe（OH）₂+2Ni（OH）₂，可判断电解液为碱性，充电时消耗氢氧根，阴极附近溶液的pH升高．
（1）通过以上分析知，酸溶时能与盐酸反应的物质是Al、Ni（OH）₂、Fe₂O₃，
故答案为：碳粉；
（2）用NiO调节溶液的pH，析出沉淀的成分为Fe（OH）₃、Al（OH）₃，故答案为：Fe（OH）₃、Al（OH）₃；
（3）加入Na₂C₂O₄溶液后反应的化学方程式为：Na₂C₂O₄+NiCl₂+2H₂O=2NaCl+NiC₂O₄•2H₂O↓，
故答案为：Na₂C₂O₄+NiCl₂+2H₂O=2NaCl+NiC₂O₄•2H₂O↓；
（4）加入NaOH溶液，NiC₂O₄沉淀转化为Ni（OH）₂，NiC₂O₄+2OH^-?Ni（OH）₂+C₂O₄^2-，根据K_sp（NiC₂O₄）：4.0×10^-10
c（Ni²⁺）=c（C₂O₄^2-）=$\sqrt{{K}_{sp}}$=$\sqrt{4×1{0}^{-10}}$=2×10^-5mol/L；
根据K_sp（Ni（OH）₂）：5.0×10^-16，c²（OH^-）=$\frac{{K}_{sp}[Ni（OH）_{2}]}{c（N{i}^{2+}）}$=$\frac{5.0×1{0}^{-16}}{2.0×1{0}^{-5}}$=2.5×10^-11mol²/L²；
则该反应的平衡常数K=$\frac{c（{C}_{2}{{O}_{4}}^{2-}）}{{c}^{2}（O{H}^{-}）}$=$\frac{2×1{0}^{-5}}{2.5×1{0}^{-11}}$=8×10⁵L/mol；
故答案为：NiC₂O₄+2OH^-?Ni（OH）₂+C₂O₄^2-；8×10⁵L/mol；
（5）电解过程中阴极反应是水得电子产生氢气，电极反应式为：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-；电解NaCl溶液可以得到氧化性物质氯气，所以沉淀Ⅲ可被电解所得产物Cl₂氧化生成Ni（OH）₃，该氧化反应的离子方程式为：2Ni（OH）₂+2OH^-+Cl₂═2Ni（OH）₃+2Cl^-，
故答案为：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-；2Ni（OH）₂+2OH^-+Cl₂═2Ni（OH）₃+2Cl^-．

点评 本题考查混合物的分离和提纯，题目难度中等，涉及离子反应方程式的书写、平衡常数的计算、沉淀的洗涤等知识点，综合性较强，为高考高频点，明确每一步中发生的反应及物质的性质、物质分离方法即可解答，试题培养了学生的分析能力及化学实验能力．