Question

11．碱式氧化镍（NiOOH）可用作镍氢电池的正极材料．以含镍（Ni²⁺）废液为原料生产NiOOH的一种工艺流程如图：

（1）加入Na₂CO₃溶液时，确认Ni²⁺已经完全沉淀的实验方法是静置，在上层清液中继续滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，无沉淀生成．
（2）已知K_sp[Ni（OH）₂]=2×10^-15，欲使NiSO₄溶液中残留c（Ni²⁺）≤2×10^-5 mol•L^-1，调节pH的范围是pH≥9．
（3）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{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O．
（4）若加热不充分，制得的NiOOH中会混有Ni（OH）₂，其组成可表示为xNiOOH•yNi（OH）₂．现称取9.18g样品溶于稀硫酸，加入100mL 1.0mol•L^-1 Fe²⁺标准溶液，搅拌至溶液清亮，定容至200mL．取出20.00mL，用0.010mol•L^-1 KMnO₄标准溶液滴定，用去KMnO₄标准溶液20.00mL，试通过计算确定x、y的值（写出计算过程）．涉及反应如下（均未配平）：
NiOOH+Fe²⁺+H⁺═Ni²⁺+Fe³⁺+H₂O  Fe²⁺+MnO₄^-+H⁺═Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O．

Answer 1

分析 含镍（Ni²⁺）废液为原料生产NiOOH，在含Ni⁺的废液中中加入碳酸钠溶液，过滤得到NiCO₃沉淀，沉淀中加入硫酸溶解生成NiSO₄，加入试剂调节溶液的pH使镍离子全部沉淀生成Ni（OH）₂，在空气中加热Ni（OH）₂制取NiOOH；
（1）确认Ni²⁺已经完全沉淀的实验方法是取上层清液，加入碳酸钠溶液观察是否有沉淀生成，判断镍离子是否全部沉淀；
（2）依据溶度积常数计算溶液中氢氧根离子浓度，结合离子积常数计算溶液中的氢离子浓度，pH=-lgc（H⁺）；
（3）空气中加热Ni（OH）₂和空气中氧气反应生成NiOOH和水；
（4）消耗KMnO₄物质的量：0.01 mol•L^-1×0.02L=2×10^-4 mol，
与NiOOH反应后剩余的Fe²⁺物质的量：2×10^-4 mol×5×（200÷20）=0.01 mol，
Fe²⁺总物质的量：1.0 mol•L^-1×0.1 L=0.1 mol，
与NiOOH反应的Fe²⁺的物质的量：0.1 mol-0.01 mol=0.09 mol，
得到n（NiOOH）=0.09 mol，计算得到NiOOH的质量，得到混合物中Ni（OH）2的质量，计算物质的量，依据xNiOOH•yNi（OH）₂计算x和y的比值．

解答 解：（1）确认Ni²⁺已经完全沉淀的实验方法是取上层清液，加入碳酸钠溶液观察是否有沉淀生成，判断镍离子是否全部沉淀，具体操作步骤为：静置，在上层清液中继续滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，无沉淀生成；
故答案为：静置，在上层清液中继续滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，无沉淀生成；
（2）已知K_sp[Ni（OH）₂]=2×10^-15，欲使NiSO₄溶液中残留c（Ni²⁺）≤2×10^-5 mol•L^-1，K_sp[Ni（OH）₂]=c（Ni²⁺）×c²（OH^-）=2×10^-15，c（OH^-）=$\sqrt{\frac{2×1{0}^{-15}}{2×1{0}^{-5}}}$=10^-5mol/L，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-5}}$=10^-9mol/L，则pH=9；
由于c（Ni²⁺）≤2×10^-5 mol•L^-1，则调节pH的范围是：pH≥9，
故答案为：pH≥9；
（3）空气中加热Ni（OH）₂和空气中氧气反应生成NiOOH和水，原子守恒配平书写化学方程式为：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O，
故答案为：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O；
（4）消耗KMnO₄物质的量：0.01 mol•L^-1×0.02L=2×10^-4 mol
与NiOOH反应后剩余的Fe²⁺物质的量：2×10^-4 mol×5×（200÷20）=0.01 mol
Fe²⁺总物质的量：1.0 mol•L^-1×0.1 L=0.1 mol
与NiOOH反应的Fe²⁺的物质的量：0.1 mol-0.01 mol=0.09 mol
n（NiOOH）=0.09 mol
m（NiOOH）=91.7 g•mol^-1×0.09 mol=8.253 g
n[Ni（OH）₂]=$\frac{9.18g-8.253g}{92.7g•mol-1}$=0.01mol，
x：y=n（NiOOH）：n[Ni（OH）₂]=0.09 mol：0.01 mol=9：1，
即x=9、y=1，
答：x、y的值分别为9、1．

点评 本题考查了物质分离方法和实验过程分析判断、溶度积常数和离子积常数的计算应用，题目难度中等，明确实验目的及化学实验基本操作方法为解答关键，试题培养了学生的分析能力及化学实验能力．