Question

7．镍电池广泛应用于混合动力汽车系统，电极材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在铝箔上制成，放电过程中产生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，Fe（OH）₂最终氧化、脱水生成氧化铁．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回收研究．
已知：①NiCl₄易溶于水，Fe²⁺不能氧化Ni²⁺．
②某温度下一些金属氢氧化物的K_SP及开始沉淀和完全沉淀时的理论pH如表所示：

M（OH）n	KSP	pH
		开始沉淀	沉淀完全
Al（OH）3	2.0×10-52	3.8	-
Fe（OH）3	4.0×10-38	1.9	3.2
Fe（OH）2	8.0×10-16	6.95	9.95
Ni（OH）2	6.5×10-38	5.9	8.9

回答下列问题：
（1）该电池的负极材料是Fe，正极反应式为NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-．
（2）若电池输出电压为3V，给2W灯泡供电，当电池消耗0.02gFe，理论上电池工作1.72min（小数点后保留2位）．（已知F=96500C/mol）
（3）将电池电极材料用盐酸溶解后加入适量双氧水，其目的是将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺，过滤，在滤液中慢慢加入NiO固体，则开始析出沉淀时的离子方程式是NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O和Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺．若将两种杂质阳离子都沉淀析出，pH应控制在5.1～5.9之间（离子浓度小于或等于1×10^-5 mol/L为完全沉淀，lg2=0.3、lg3=0.5）；设计将析出的沉淀混合物中的两种物质分离开来的实验方案将混合物加入NaOH溶液中充分溶解，过滤、洗涤，滤渣为Fe（OH）₃，将滤液通入足量CO₂，过滤、洗涤，得沉淀物Al（OH）₃．
（4）将加入NiO过滤后的溶液加入Na₂C₂O₄，得到NiC₂O₄•2H₂O和滤液A，A的主要成分是NaCl溶液；电解滤液A，在阴极产生气体BH₂（填分子式）；在阳极产生气体CCl₂（填分子式）．将NiC₂O₄•2H₂O加入到电解后的溶液，再通入电解时某电解产生的气体，即可得到回收产品Ni（OH）₃，所通入气体为C（填“B”、“C”）极气体，判断依据是要实现Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，镍元素化合价升高，需要加入氧化剂，则通入的气体应为阳极产生的Cl₂．

Answer 1

分析 （1）电极材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在铝箔上制成，放电过程中产生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，铁做负极，NiO₂做正极发生还原反应生成Ni（OH）₂，结合电荷守恒和原子守恒配平书写电极反应；
（2）依据I=$\frac{P}{U}$，Q=tI，电池工作时铁失电子发生氧化反应生成+2价铁，结合电子守恒计算；
（3）废电池电极材料加入盐酸溶解，得到氯化镍、氯化亚铁、氯化铝，加入适量双氧水的目的是将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入NiO的目的是调节溶液PH值，先后沉淀铁离子和铝离子，加入NiO固体，则开始析出沉淀时的离子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，铝离子后沉淀，当铝离子浓度小于或等于1×10^-5mol/L为完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，则此时c³（OH^-）=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}$×10^-9mol/L，c（H⁺）=$\frac{{K}_{w}}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{1×1{0}^{-14}}{\root{3}{2}×1{0}^{-9}}$，PH=-lg（H⁺）=5.1，当PH=5.9时，镍离子开始沉淀，则PH控制在5.1～5.9时，铁离子和铝离子都沉淀析出，过滤得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氢氧化铝是两性氢氧化物，把氢氧化铁和氢氧化铝溶于过量氢氧化钠溶液中过滤得到滤渣为氢氧化铁沉淀，滤液为偏铝酸钠溶液，再通入过量二氧化碳沉淀出氢氧化铝；
（4）滤液A为氯化钠溶液，电解时阴极得到氢气，阳极得到氯气；通入的气体为Cl₂，氯气、氢氧化钠溶液和NiC₂O₄•H₂O反应生成Ni（OH）₃．

解答 解：（1）电极材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在铝箔上制成，放电过程中产生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，铁做负极，NiO₂做正极发生还原反应生成Ni（OH）₂，结合电荷守恒和原子守恒配平书写电极反应为：NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-，
故答案为：Fe；NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-；
（2）电池输出电压为3V，给2W灯泡供电，电流I=$\frac{P}{U}$=$\frac{2}{3}$A，消耗0.02gFe，铁失电生成+2价铁，电子转移总物质的量=$\frac{0.02g}{56g/mol}$×2=0.000714mol，
理论电池工作时间t=$\frac{Q}{I}$=$\frac{0.000714mol×96500C/mol}{\frac{2}{3}A}$=103.3515s≈1.72min，
故答案为：1.72；
（3）方案中加入适量双氧水的目的是将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加入NiO的目的是调节溶液PH值，先后沉淀铁离子和铝离子，加入NiO固体，则开始析出沉淀时的离子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，铝离子后沉淀，当铝离子浓度小于或等于1×10^-5mol/L为完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，则此时c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}$×10^-9mol/L，c（H⁺）=$\frac{{K}_{w}}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{1×1{0}^{-14}}{\root{3}{2}×1{0}^{-9}}$，PH=-lg（H⁺）=5.1，当PH=5.9时，镍离子开始沉淀，则PH控制在5.1～5.9时，铁离子和铝离子都沉淀析出，过滤得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氢氧化铝是两性氢氧化物，把氢氧化铁和氢氧化铝溶于过量氢氧化钠溶液中过滤得到氢氧化铁沉淀，滤液为偏铝酸钠溶液，再通入过量二氧化碳沉淀出氢氧化铝，具体步骤为：将混合物加入NaOH溶液中充分溶解，过滤、洗涤，滤渣为Fe（OH）₃，将滤液通入足量CO₂，过滤、洗涤，得沉淀物Al（OH）₃，
故答案为：将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺；NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O；Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺；5.1～5.9之间；将混合物加入NaOH溶液中充分溶解，过滤、洗涤，滤渣为Fe（OH）₃，将滤液通入足量CO₂，过滤、洗涤，得沉淀物Al（OH）₃；
（4）滤液A为氯化钠溶液，电解时阴极得到氢气，阳极得到氯气；要实现Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，镍元素化合价升高，需要加入氧化剂，则通入的气体应为阳极产生的C即Cl₂，故答案为：NaCl溶液；H₂；Cl₂；C；要实现Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，镍元素化合价升高，需要加入氧化剂，则通入的气体应为阳极产生的Cl₂．

点评 本题考查了物质分离提纯实验过程分析判断，涉及原电池原理的理解应用和电极反应书写、电子守恒的计算、难溶电解质的计算、电解综合运用，综合性强，计算量大，有一定难度．