Question

16．堿式氧化鎳（NiOOH）可用作鎳氫電池的正極材料．以含鎳（Ni²⁺）廢液為原料生產NiOOH的一種工藝流程如下：

（1）加入Na₂CO₃溶液時，確認Ni²⁺已經完全沉淀的實驗方法是靜置，在上層清液中繼續滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，無沉淀生成
（2）已知K_sp[Ni（OH）₂]=2×10^-15，欲使NiSO₄溶液中殘留c（Ni²⁺）≤2×10^-5 mol•L^-1，調節pH的范圍是pH≥9
（3）寫出在空氣中加熱Ni（OH）₂制取NiOOH的化學方程式：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O
（4）若加熱不充分，制得的NiOOH中會混有Ni（OH）₂，其組成可表示為xNiOOH•yNi（OH）₂．現稱取9.18g樣品溶于稀硫酸，加入100mL 1.0mol•L^-1 Fe²⁺標準溶液，攪拌至溶液清亮，定容至200mL．取出20.00mL，用0.010mol•L^-1 KMnO₄標準溶液滴定，用去KMnO₄標準溶液20.00mL，試通過計算確定x、y的值．涉及反應如下（均未配平）：
NiOOH+Fe²⁺+H⁺--Ni²⁺+Fe³⁺+H₂O
Fe²⁺+MnO${\;}_{4}^{-}$+H⁺--Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O
則x=9；y=1．

Answer 1

分析 含鎳（Ni²⁺）廢液為原料生產NiOOH，在含Ni⁺的廢液中中加入碳酸鈉溶液，過濾得到NiCO₃沉淀，沉淀中加入硫酸溶解生成NiSO₄，加入試劑調節溶液的pH使鎳離子全部沉淀生成Ni（OH）₂，在空氣中加熱Ni（OH）₂制取NiOOH；
（1）確認Ni²⁺已經完全沉淀的實驗方法是取上層清液，加入碳酸鈉溶液觀察是否有沉淀生成，判斷鎳離子是否全部沉淀；
（2）依據溶度積常數計算溶液中氫氧根離子濃度，結合離子積常數計算溶液中的氫離子濃度，pH=-lgc（H⁺）；
（3）空氣中加熱Ni（OH）₂和空氣中氧氣反應生成NiOOH和水；
（4）消耗KMnO₄物質的量：0.01 mol•L^-1×0.02L=2×10^-4 mol，
與NiOOH反應后剩余的Fe²⁺物質的量：2×10^-4 mol×5×（200÷20）=0.01 mol，
Fe²⁺總物質的量：1.0 mol•L^-1×0.1 L=0.1 mol，
與NiOOH反應的Fe²⁺的物質的量：0.1 mol-0.01 mol=0.09 mol，
得到n（NiOOH）=0.09 mol，計算得到NiOOH的質量，得到混合物中Ni（OH）2的質量，計算物質的量，依據xNiOOH•yNi（OH）₂計算x和y的比值．

解答 解：（1）確認Ni²⁺已經完全沉淀的實驗方法是取上層清液，加入碳酸鈉溶液觀察是否有沉淀生成，判斷鎳離子是否全部沉淀，具體操作步驟為：靜置，在上層清液中繼續滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，無沉淀生成；
故答案為：靜置，在上層清液中繼續滴加1～2滴Na₂CO₃溶液，無沉淀生成；
（2）已知K_sp[Ni（OH）₂]=2×10^-15，欲使NiSO₄溶液中殘留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，則pH=9；
由于c（Ni²⁺）≤2×10^-5 mol•L^-1，則調節pH的范圍是：pH≥9，
故答案為：pH≥9；
（3）空氣中加熱Ni（OH）₂和空氣中氧氣反應生成NiOOH和水，原子守恒配平書寫化學方程式為：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O，
故答案為：4Ni（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4NiOOH+2H₂O；
（4）消耗KMnO₄物質的量：0.01 mol•L^-1×0.02L=2×10^-4 mol
與NiOOH反應后剩余的Fe²⁺物質的量：2×10^-4 mol×5×（200÷20）=0.01 mol
Fe²⁺總物質的量：1.0 mol•L^-1×0.1 L=0.1 mol
與NiOOH反應的Fe²⁺的物質的量：0.1 mol-0.01 mol=0.09 mol
n（NiOOH）=0.09 mol
m（NiOOH）=91.7 g•mol^-1×0.09 mol=8.253 g
n[Ni（OH）₂]=$\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，
故答案為：9；1．

點評 本題考查了物質分離方法和實驗過程分析判斷、溶度積常數和離子積常數的計算應用，題目難度中等，明確實驗目的及化學實驗基本操作方法為解答關鍵，試題培養了學生的分析能力及化學實驗能力．