Question

18．鎳電池廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)，電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成．放電過(guò)程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，F(xiàn)e（OH）₂最終氧化、脫水生成氧化鐵．由于電池使用后電極材料對(duì)環(huán)境有危害，某興趣小組對(duì)該電池電極材料進(jìn)行回收研究．
已知：①．NiCl₂易溶于水，F(xiàn)e³⁺不能氧化Ni²⁺．
②某溫度下一些金屬氫氧化物的K_sp及開(kāi)始沉淀和完全沉淀時(shí)的理論pH如表所示：

M（OH）n	Ksp	pH
		開(kāi)始沉淀	沉淀完全
Al（OH）3	2.0×10-32	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	6.5×10-18	5.9	8.9

回答下列問(wèn)題：
（1）該電池的負(fù)極材料是Fe，正極反應(yīng)式為NiO₂+2H₂O+2e^-═Ni（OH）₂+2OH^-，
（2）若電池輸出電壓為3V，給2W燈泡供電，當(dāng)電池消耗0.02gFe，理論上電池工作1.72min（小數(shù)點(diǎn)后保留2位）．（已知F=96500C/mol）
（3）將電池電極材料用鹽酸溶解后加入適量雙氧水，其目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺．過(guò)濾，在濾液中慢慢加入NiO固體，則開(kāi)始析出沉淀時(shí)的離子方程式是NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O和Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺．若將兩種雜質(zhì)陽(yáng)離子都沉淀析出，pH應(yīng)控制在5.1～5.9之間（離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，lg2=0.3、lg3=0.5）；設(shè)計(jì)將析出的沉淀混合物中的兩種物質(zhì)分離開(kāi)來(lái)的實(shí)驗(yàn)方案將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過(guò)濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過(guò)濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃．
（4）將加入NiO過(guò)濾后的溶液加入Na₂C₂O₄，得到NiC₂O₄•2H₂O和濾液A，A的主要成分是NaCl溶液；電解濾液A，在陰極產(chǎn)生氣體BH₂（填分子式）；在陽(yáng)極產(chǎn)生氣體CCl₂（填分子式）．將NiC₂O₄•2H₂O加入到電解后的溶液，再通入電解時(shí)某電解產(chǎn)生的氣體，即可得到回收產(chǎn)品Ni（OH）₃，所通入氣體為C（填“B”、“C”）極氣體，判斷依據(jù)是要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl₂．

Answer 1

分析 （1）電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成，放電過(guò)程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，鐵做負(fù)極，NiO₂做正極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni（OH）₂，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)；
（2）依據(jù)I=$\frac{P}{U}$，Q=tI，電池工作時(shí)鐵失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成+2價(jià)鐵，結(jié)合電子守恒計(jì)算；
（3）廢電池電極材料加入鹽酸溶解，得到氯化鎳、氯化亞鐵、氯化鋁，加入適量雙氧水的目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入NiO的目的是調(diào)節(jié)溶液PH值，先后沉淀鐵離子和鋁離子，加入NiO固體，則開(kāi)始析出沉淀時(shí)的離子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，F(xiàn)e³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，鋁離子后沉淀，當(dāng)鋁離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，則此時(shí)c（OH^-）³=$\frac{{K}_{SP}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}×1{0}^{-9}$mol/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，當(dāng)PH=5.9時(shí)，鎳離子開(kāi)始沉淀，則PH控制在5.1～5.9時(shí)，鐵離子和鋁離子都沉淀析出，過(guò)濾得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氫氧化鋁是兩性氫氧化物，把氫氧化鐵和氫氧化鋁溶于過(guò)量氫氧化鈉溶液中過(guò)濾得到濾渣為氫氧化鐵沉淀，濾液為偏鋁酸鈉溶液，再通入過(guò)量二氧化碳沉淀出氫氧化鋁；
（4）濾液A為氯化鈉溶液，電解時(shí)陰極得到氫氣，陽(yáng)極得到氯氣；通入的氣體為Cl₂，氯氣、氫氧化鈉溶液和NiC₂O₄•H₂O反應(yīng)生成Ni（OH）₃．

解答 解：（1）電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成，放電過(guò)程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，鐵做負(fù)極，NiO₂做正極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni（OH）₂，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)為：NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-，
故答案為：Fe；NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-；
（2）電池輸出電壓為3V，給2W燈泡供電，電流I=$\frac{P}{U}$=$\frac{2}{3}$A，消耗0.02gFe，鐵失電生成+2價(jià)鐵，電子轉(zhuǎn)移總物質(zhì)的量=$\frac{0.02g}{56g/mol}$×2=0.000714mol，
理論電池工作時(shí)間t=$\frac{Q}{I}$=$\frac{0.000714mol×96500C/mol}{\frac{2}{3}A}$=103.3515s≈1.72min，
故答案為：1.72；
（3）方案中加入適量雙氧水的目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入NiO的目的是調(diào)節(jié)溶液PH值，先后沉淀鐵離子和鋁離子，加入NiO固體，則開(kāi)始析出沉淀時(shí)的離子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，F(xiàn)e³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，鋁離子后沉淀，當(dāng)鋁離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，則此時(shí)c（OH^-）³=$\frac{{K}_{SP}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}×1{0}^{-9}$mol/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，當(dāng)PH=5.9時(shí)，鎳離子開(kāi)始沉淀，則PH控制在5.1～5.9時(shí)，鐵離子和鋁離子都沉淀析出，過(guò)濾得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氫氧化鋁是兩性氫氧化物，把氫氧化鐵和氫氧化鋁溶于過(guò)量氫氧化鈉溶液中過(guò)濾得到氫氧化鐵沉淀，濾液為偏鋁酸鈉溶液，再通入過(guò)量二氧化碳沉淀出氫氧化鋁，具體步驟為：將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過(guò)濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過(guò)濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃，
故答案為：將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺；NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O；Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺；5.1～5.9之間；將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過(guò)濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過(guò)濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃；
（4）濾液A為氯化鈉溶液，電解時(shí)陰極得到氫氣，陽(yáng)極得到氯氣；要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽(yáng)極產(chǎn)生的C即Cl₂，
故答案為：NaCl溶液；H₂；Cl₂；C；要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離提純實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析判斷，涉及原電池原理的理解應(yīng)用和電極反應(yīng)書(shū)寫(xiě)、電子守恒的計(jì)算、難溶電解質(zhì)的計(jì)算、電解綜合運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，計(jì)算量大，有一定難度．