《2025年天星教育试题调研化学第9辑》

热考指数 ★★★★★
原创预测 碳酸镍具有良好的催化性能，在化学和工业领域应用广泛。利用废镍催化剂(主要成分为 Ni 及其氧化物、Al 和 Fe 的氧化物)获得碳酸镍的流程如图 1 所示。

已知：常温下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的 pH 如表所示。

(1)“酸浸”时，选择稀硫酸而非稀硝酸的原因是.7 ≤ pH ＜ 6.7。
②该过程还可用 NaClO 替代 H₂O₂，调节 pH 为 3.5，该反应的离子方程式为________。
(3)H₂O₂ 在催化剂中 Fe 元素的作用下可以产生具有极强氧化活性的·OH，H₂O₂ 在固态催化剂表面转化的过程如图 2 所示。

过程①中每产生 1 mol O 空位，需要转移mol 电子；相同条件下，催化效果：LaFeO₂.₆，晶胞密度 ρ =(476 × 10²¹)/(Nₐa²b)g·cm⁻³(用含 a、b 的式子表示，已知：阿伏加德罗常数的值为 Nₐ，Ni 的相对原子质量为 59)。

答案： 解析
(1)“酸浸”时，废镍催化剂中镍和二价铁的氧化物均具有还原性，会把稀硝酸还原为氮氧化物，污染大气，所以选择稀硫酸而非稀硝酸。
(2)①已知 Kₛₚ[Ni(OH)₂] = 10⁻¹⁵.⁶，若溶液中 Ni²⁺浓度为 0.10 mol·L⁻¹，则当 Ni²⁺开始沉淀时 c(OH⁻) = √(10⁻¹⁵.⁶ / 0.10) mol·L⁻¹ = 10⁻⁷.³ mol·L⁻¹，则应控制溶液 pH ＜ 6.7；又因为除杂时需除掉 Fe³⁺和 Al³⁺，结合题表数据可知 Fe³⁺完全沉淀时的 pH 为 3.2，Al³⁺完全沉淀时的 pH 为 4.7，所以需控制溶液 pH 的范围是 4.7 ≤ pH ＜ 6.7。②该过程中用 NaClO 替代 H₂O₂，将 Fe²⁺氧化为 Fe³⁺，调节 pH 为 3.5，则 Fe³⁺转化为 Fe(OH)₃ 的离子方程式为 ClO⁻ + 2Fe²⁺ + 5H₂O = Cl⁻ + 2Fe(OH)₃↓ + 4H⁺。
(3)固态催化剂中含有 Fe³⁺、Fe²⁺，过程①中 H₂O₂ 转化为 H₂O 和 O₂，Fe³⁺得到电子被还原为 Fe²⁺，晶体中失去部分 O²⁻转化为 O₂，形成 O 空位，1 mol O²⁻形成 1 mol O 空位，转移 2 mol 电子；设 LaFeO₂.₆ 中 Fe³⁺的个数为 x，Fe²⁺的个数为 1 - x，已知 La 的化合价为 +3，根据化合物中各元素正、负化合价的代数和为 0 可知，3 + 3x + 2(1 - x) - 2×2.6 = 0，解得 x = 0.2，则 LaFeO₂.₆ 中 n(Fe³⁺) : n(Fe²⁺) = 0.2 : (1 - 0.2) = 1 : 4，同理可知，LaFeO₂.₈ 中 n(Fe³⁺) : n(Fe²⁺) = 3 : 2，晶体 LaFeO₂.₈ 中 Fe²⁺的数目相对较少，过程②为 H₂O₂ 被还原，Fe²⁺被氧化，晶胞中 Fe²⁺数目越多，与 H₂O₂ 反应时生成的具有极强氧化活性的·OH 越多，所以 LaFeO₂.₆ 的催化效果强于 LaFeO₂.₈ 的。
(4)由题图 3 可知，Ni²⁺的配位数为 6；由“均摊法”可知，1 个晶胞中 Ni²⁺的个数为 8×(1/8) + 6×(1/2) = 4，1 个晶胞中 CO₃²⁻ 的个数为 12×(1/4) + 1 = 4，即 1 个晶胞中含有 4 个 NiCO₃，该晶胞密度 ρ = m / V = ( (119 / Nₐ) × 4 g ) / (a²b × 10⁻²¹ cm³) = (476 × 10²¹) / (Nₐa²b) g·cm⁻³。
速解
与 LaFeO₂.₈ 相比，LaFeO₂.₆ 中 O 的个数少，根据化合物中各元素正、负化合价代数和为 0 可知，LaFeO₂.₆ 中的 Fe²⁺数目相对较多，Fe³⁺数目相对较少，Fe²⁺可将 H₂O₂ 还原为具有极强氧化活性的·OH，故 Fe²⁺数目多的催化效果好。
答案
(1) Ni 和二价铁的氧化物会与稀硝酸反应生成污染环境的氮氧化物
(2)①4.7 ≤ pH ＜ 6.7 ②ClO⁻ + 2Fe²⁺ + 5H₂O = Cl⁻ + 2Fe(OH)₃↓ + 4H⁺
(3)2 ＞
(4)6 (476 × 10²¹) / (Nₐa²b)