Question

11．镍氢电池的应用很广，其正负极材料都可以再生利用，正极主要为氢氧化镍[Ni（OH）₂]，其表面覆盖有钴或氢氧化钴[Co（OH）₂]，还含有Fe、Mn、Ca、Mg等杂质元素，现利用以下工艺流程回收正极材料中的Co、Ni元素（部分条件未给出）

已知：①浸出液中各离子含量

金属离子	Ni2+	Co2+	Fe3+	Mn2+	Ca2+	Mg2+
浓度（g/L）	63.6	5.90	1.00	0.22	5.24×10-2	6.37×10-2

②K_sp（CaF₂）=2.7×10^-11，K_sp（MgF₂）=6.5×10^-9，K_sp[Ni（OH）₂]=5.5×10^-16
回答下列问题：
（1）浸出液沉铁过程中，生成的沉淀是FeOOH，发生反应的离子方程式为2Fe²⁺+H₂O₂+2H₂O=2FeOOH+4H⁺
（2）加入NaF可除去Ca²⁺、Mg²⁺，若使溶液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度小于1.0×10^-5mol/L，F浓度必须大于$\sqrt{\frac{6.5×1{0}^{-9}}{1.0×1{0}^{-5}}}$mol/L（列出计算式即可）
（3）过硫酸铵[（NH₄）₂S₂O₈除锰的原理是：第一步用过硫酸铵将溶液中的Mn²⁺氧化成MnO₄^-，第二步MnO₄^-继续与Mn^2-反应生成MnO₂沉淀，在第一步反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为5：2，第二步发生反应的离子方程式为3Mn²⁺+2MnO₄^-+2H₂O=5MnO₂↓+4H⁺，若除去1L浸出液中的Mn²⁺和Co²⁺至少需要过硫酸铵13.68g
（4）除锰、钴时若溶液pH较大，会有什么后果？Ni²⁺也会形成Ni（OH）₂沉淀析出
（5）加入Na₂CO₃溶液后，为得到纯净的NiCO₃固体，需要的操作有过滤、洗涤、干燥．

Answer 1

分析 镍氢电池是正极主要为氢氧化镍[Ni（OH）₂]，其表面覆盖有钴或氢氧化钴[Co（OH）₂]，还含有Fe、Mn、Ca、Mg等杂质元素，加稀硫酸溶解、过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，加双氧水，同时调节pH=3.4，亚铁离子转化为沉淀FeOOH析出，过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，在滤液中加NaF固体，Ca²⁺和Mg²⁺转化为沉淀CaF₂、MgF₂，过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺，在滤液中加过硫酸铵[（NH）₂S₂O₈]，把Co²⁺氧化为Co³⁺，把Mn²⁺氧化为MnO₄^-，MnO₄^-继续与Mn^2-反应生成MnO₂沉淀，调节pH=4.0，Co³⁺转化为Co（OH）₃沉淀，过滤，在滤液中加碳酸钠生成NiCO₃沉淀，过滤、洗涤、干燥，得到纯净的NiCO₃；
（1）酸性条件下，亚铁离子被双氧水氧化生成FeOOH和H⁺；
（2）若使溶液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度小于1.0×10^-5mol/L，根据c（F^-）=$\sqrt{\frac{{K}_{sp}}{c（{R}^{2+}）}}$计算氟离子的最小浓度；
（3）根据得失电子守恒和原子守恒配平方程式，再计算氧化剂和还原剂的物质的量之比；MnO₄^-可与Mn²⁺反应生成MnO₂，结合元素守恒和电子守恒配平方程式；根据表格中Mn²⁺和Co²⁺浓度求出质量和物质的量，再根据二者与（NH）₂S₂O₈反应的方程式计算；
（4）溶液pH较大时Ni²⁺会形成Ni（OH）₂沉淀析出；
（5）从浑浊液中得到纯净的固体需要过滤、洗涤、干燥．

解答 解：镍氢电池是正极主要为氢氧化镍[Ni（OH）₂]，其表面覆盖有钴或氢氧化钴[Co（OH）₂]，还含有Fe、Mn、Ca、Mg等杂质元素，加稀硫酸溶解、过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，加双氧水，同时调节pH=3.4，亚铁离子转化为沉淀FeOOH析出，过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，在滤液中加NaF固体，Ca²⁺和Mg²⁺转化为沉淀CaF₂、MgF₂，过滤，滤液中含有Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺，在滤液中加过硫酸铵[（NH）₂S₂O₈]，把Co²⁺氧化为Co³⁺，把Mn²⁺氧化为MnO₄^-，MnO₄^-继续与Mn^2-反应生成MnO₂沉淀，调节pH=4.0，Co³⁺转化为Co（OH）₃沉淀，过滤，在滤液中加碳酸钠生成NiCO₃沉淀，过滤、洗涤、干燥，得到纯净的NiCO₃；
（1）酸性条件下，亚铁离子被双氧水氧化生成FeOOH和H⁺，其反应的离子方程式为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₂O=2FeOOH+4H⁺；
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H₂O=2FeOOH+4H⁺；
（2）已知K_sp（CaF₂）=2.7×10^-11，K_sp（MgF₂）=6.5×10^-9，CaF₂的溶度积比MgF₂小，CaF₂先沉淀，当MgF₂完全沉淀（即浓度小于1.0×10^-5mol/L）时，CaF₂也一定完全沉淀，当溶液中Mg²⁺浓度等于1.0×10^-5mol/L时，c（F^-）=$\sqrt{\frac{{K}_{sp}（Mg{F}_{2}）}{c（M{g}^{2+}）}}$=$\sqrt{\frac{6.5×1{0}^{-9}}{1.0×1{0}^{-5}}}$，所以若使溶液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度小于1.0×10^-5mol/L，F^-浓度必须大于$\sqrt{\frac{6.5×1{0}^{-9}}{1.0×1{0}^{-5}}}$；
故答案为：$\sqrt{\frac{6.5×1{0}^{-9}}{1.0×1{0}^{-5}}}$；
（3）该反应中，锰元素的化合价变化为+2价→+7价，失电子化合价升高，锰离子作还原剂；氧元素的化合价不变，所以S元素得电子化合价降低，S₂O₈^2-作氧化剂，S元素化合价变化为+7价→+6价，则该方程式为8H₂O+5S₂O₈^2-+2Mn²⁺=2MnO₄^-+10SO₄^2-+16H⁺，所以氧化剂和还原剂的物质的量之比为5：2；
MnO₄^-可与Mn²⁺反应生成MnO₂，其离子方程式为：3Mn²⁺+2MnO₄^-+2H₂O=5MnO₂↓+4H⁺；
1L浸出液中的Mn²⁺为0.22g，Co²⁺为5.90g，Co²⁺与S₂O₈^2-的反应方程式为S₂O₈^2-+2Co²⁺=2SO₄^2-+2Co³⁺，
则5（NH）₂S₂O₈～～～2Mn²⁺      （NH）₂S₂O₈～～～～～～2Co²⁺；
   5×228         2×55        228                  2×59
     m           0.22g        m′5.9g
则过硫酸铵的质量=m+m′=$\frac{5×228×0.22g}{2×55}$+$\frac{228×5.9g}{2×59}$=13.68g；
故答案为：5：2；3Mn²⁺+2MnO₄^-+2H₂O=5MnO₂↓+4H⁺；13.68；
（4）已知K_sp[Ni（OH）₂]=5.5×10^-16，当溶液pH较大时Ni²⁺会形成Ni（OH）₂沉淀析出，使产品的回收率降低；
故答案为：Ni²⁺也会形成Ni（OH）₂沉淀析出；
（5）加入Na₂CO₃溶液后，Ni²⁺转化为NiCO₃沉淀，要从该浑浊液中得到纯净的固体需要过滤、洗涤、干燥，
故答案为：过滤、洗涤、干燥．

点评 本题考查了物质的分离提纯的方法和基本操作综合，题目涉及物质的分离、离子方程式的书写、Ksp的有关计算、氧化还原反应的计算等，题目难度中等，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力和计算能力．