Question

18．人造金剛石酸洗廢液中含有大量的Ni²⁺、Mn²⁺、Co²⁺等離子．某廠技術人員設計了如下方案，使上述離子的濃度降低到排放標準，且得到了純度較高的鎳粉．
Ⅰ．廢液組成：

金屬元素	Ni	Mn	Co	Fe	Cu	Zn
濃度（g•L-1）	45	15	7.5	≤0.1	≤0.05	≤0.05

Ⅱ．處理方案：
步驟1：調節(jié)pH：向強酸性溶液中加入NaOH溶液調節(jié)pH到2．
此步驟中工業(yè)上不直接使用飽和Na₂CO₃溶液來調節(jié)溶液的pH的原因可能是產生大量的CO₂不利于工業(yè)生產．
步驟2：除去Mn²⁺、Co²⁺離子：在攪拌下加入適量飽和Na₂CO₃溶液和NaClO溶液并控制pH≤3.5，過濾．
①Mn²⁺反應生成MnO₂同時放出CO₂，寫出此反應的離子方程式：Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑．
②Co²⁺反應生成Co（OH）₃沉淀同時放出CO₂，寫出此反應的離子方程式：2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑；
Ni²⁺可反應生成Ni（OH）₃沉淀，Co²⁺可使Ni（OH）₃轉化為Co（OH）₃沉淀，寫出Ni（OH）₃轉化為Co（OH）₃的離子方程式：Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺．
③此步驟中必須控制好NaClO溶液的用量，其原因可能是Mn²⁺，Co²⁺沉淀完全而Ni²⁺不被沉淀．
步驟3：回收鎳
以鉛片為陽極，鎳鉻鈦不銹鋼片為陰極，電解步驟2中所得濾液，在陰極得到鎳
粉．電解過程中電流效率與pH的關系如圖所示，分析圖表，回答下列問題：
①pH較低時，電流效率低的原因可能是：產生大量氫氣．
②電解的最佳pH范圍是：C  （填序號）．
A．3.0～3.5    B．3.5～4.0
C．4.0～4.5    D．4.5～5.0．

Answer 1

分析 步驟1：飽和Na₂CO₃溶液能與酸反應生成二氧化碳氣體；
步驟2：①Mn²⁺被ClO^-氧化成+4價的Mn，以MnO₂的形式被除去，ClO^-被還原成Cl^-，同時放出CO₂，根據化合價升降相等以及原子守恒配平；
②Co²⁺被ClO^-氧化成+3價的Co，以Co（OH）₃的形式被除去，ClO^-被還原成Cl^-，同時放出CO₂，根據化合價升降相等以及原子守恒配平；根據題目信息即可完成；
③Ni（Ⅲ）和Co（Ⅲ）都有很強的氧化性，但Ni（Ⅲ）非常不穩(wěn)定，氧化性比Co（Ⅲ）化合物的氧化性強，因此只要ClO^-適量，即使Ni²⁺被氧化生成了三價鎳的化合物，也會被未參加反應的Co²⁺、Mn²⁺還原為Ni²⁺．因此防止Ni²⁺被沉淀的方法就是控制ClO^-的用量．
步驟3：從圖中曲線變化趨勢可以看出，當溶液酸性較大時，電解效率很低，隨著pH的增大，電解效率增大，但是當pH＞4.5后，電解率與溶液pH變化不明顯．因此此處要重點分析pH較小時電解效率不高，以及pH較大時電解效率也不高的原因．由于H⁺、Ni²⁺都能在電極的陰極放電，所以當pH較小，也即[H⁺]較大時，將產生大量的氫氣，造成電解效率較低．當pH較大時，由于Ni²⁺生成了難溶物，溶液中[Ni²⁺]減小，也造成電解效率低．因此，從圖中可以看出來，最佳的pH范圍大約為4.0～4.5．

解答 解：步驟1：飽和Na₂CO₃溶液能與酸反應生成二氧化碳氣體，產生大量的CO₂不利于工業(yè)生產，故答案為：產生大量的CO₂不利于工業(yè)生產；
步驟2：①Mn²⁺被ClO^-氧化成+4價的Mn，以MnO₂的形式被除去，ClO^-被還原成Cl^-，同時放出CO₂，離子方程式為：Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑，
故答案為：Mn²⁺+ClO^-+CO₃^2-=MnO₂↓+Cl^-+CO₂↑；
②Co²⁺被ClO^-氧化成+3價的Co，以Co（OH）₃的形式被除去，ClO^-被還原成Cl^-，同時放出CO₂，離子方程式為：2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2 Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑，
Ni²⁺可反應生成Ni（OH）₃沉淀，Co²⁺可使Ni（OH）₃轉化為Co（OH）₃沉淀，離子方程式為：Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺，
故答案為：2Co²⁺+ClO^-+2CO₃^2-+3H₂O=2 Co（OH）₃↓+Cl^-+2CO₂↑；Co²⁺+Ni（OH）₃=Co（OH）₃↓+Ni²⁺；
③Ni（Ⅲ）和Co（Ⅲ）都有很強的氧化性，但Ni（Ⅲ）非常不穩(wěn)定，氧化性比Co（Ⅲ）化合物的氧化性強，因此只要ClO^-適量，即使Ni²⁺被氧化生成了三價鎳的化合物，也會被未參加反應的Co²⁺、Mn²⁺還原為Ni²⁺，因此防止Ni²⁺被沉淀的方法就是控制ClO^-的用量，故答案為：Mn²⁺，Co²⁺沉淀完全而Ni²⁺不被沉淀；
步驟3：從圖中曲線變化趨勢可以看出，當溶液酸性較大時，電解效率很低，隨著pH的增大，電解效率增大，但是當pH＞4.5后，電解率與溶液pH變化不明顯．因此此處要重點分析pH較小時電解效率不高，以及pH較大時電解效率也不高的原因．由于H⁺、Ni²⁺都能在電極的陰極放電，所以當pH較小，也即[H⁺]較大時，將產生大量的氫氣，造成電解效率較低．當pH較大時，由于Ni²⁺生成了難溶物，溶液中[Ni²⁺]減小，也造成電解效率低．因此，從圖中可以看出來，最佳的pH范圍大約為4.0～4.5．
故答案為：①產生大量氫氣；②C．

點評 該題考查學生對工藝流程試題了解掌握情況，試題綜合性強，貼近高考，側重對學生能力的培養(yǎng)和訓練，有利于培養(yǎng)學生的邏輯推理能力和規(guī)范嚴謹的實驗設計能力以及動手操作能力；該類試題綜合性強，理論和實踐的聯系緊密，有的還提供一些新的信息，這就要求學生必須認真、細致的審題，聯系所學過的知識和技能，進行知識的類比、遷移、重組，全面細致的思考才能得出正確的結論．