Химия

8 класс
Вопрос
Сырой никель, содержащий 95,0 % $Ni$, 2,5 % $Cu$, 2,5 % $Fe$, подвергается электролитическому рафинированию. При осуществлении этого процесса пластина сырого никеля служит анодом, а пластина из тонкой стальной жести - катодом. Электролиз производится в электролизере, в котором анодное пространство отделено от катодного пористой диафрагмой. Катодное пространство заполнено раствором $NiSO_4$, концентрация которого в пересчете на никель равна $60 г/дм^3$, а также рядом других компонентов, содержащихся в малых концентрациях. Металлы, входящие в состав анода, окисляются на аноде и переходят в раствор, кислород при этом практически не выделяется. Раствор, заполняющий анодное пространство, непрерывно отводится из электролизера, так чтобы количество раствора в электролизере сохранялось неизменным. Выведенный из анодного пространства раствор, загрязненный ионами $Cu^{2+}$ и $Fe^{2+}$, подвергается очистке и вновь вводится, теперь уже в катодное пространство в качестве питающего раствора. а. Напишите уравнения электродных процессов. Установите, какие ионы находятся в удаляемом из электролизера растворе. б. Объясните, почему из раствора электролита необходимо устранять посторонние ионы. в. Первый этап очистки раствора заключается в продувании воздуха через слегка подщелоченный раствор. После отделения осадка к раствору добавляют порошкообразный никель, затем после повторного фильтрования и легкого подкисления раствор направляют в катодное пространство. Напишите уравнения описанных химических реакций по очистке раствора, Какие компоненты (элементы) и в какой последовательности удаляют из раствора? г. Содержание $Fe^{2+}$ в анодном растворе (в пересчете на железо) не превышает $1 г/дм^3$. Электролизер питают электрическим током силой 2,5 кА. Предполагая, что процессы анодного растворения металлов протекают со 100 %-ным выходом по току, вычислите минимально допустимую скорость течения раствора через электролизер ($дм^3/мин$). Атомные массы принять для $Ni$ - 58,7; $Cu$ - 63,5; $Fe$ - 55,8. д. Выход катодного процесса равен 98 %. Вычислите суточную продукцию электролизера (в килограммах чистого никеля).
Ответ


Процессы анодного растворения (окисления) сырого никеля:

$Ni - 2e \rightarrow Ni^{2+}$,
$Cu - 2e \rightarrow Cu^{2+}$,
$Fe - 2e \rightarrow Fe^{2+}$.

На аноде в небольшой степени происходит выделение кислорода, на катоде происходит восстановление ионов никеля (II)

$Ni^{2+} + 2e \rightarrow Ni$

и побочно идет выделение водорода

$2H_3O^{+} + 2e \rightarrow H_2 + 2H_2O$.

Анодный раствор содержит ионы $Ni^{2+}$, $Fe^{2+}$ и $Cu^{2+}$. Медь расположена в ряду напряжений значительно левее, чем железо и никель, а никель и железо находятся рядом, поэтому в процессе электролиза все эти ионы разряжаются на катоде (медь практически количественно), загрязняя металлический никель.

Продувание воздуха через слабощелочной раствор вызывает окисление ионов $Fe^{2+}$ до $Fe^{3+}$ и осаждение $Fe(OH)_3$

$2Fe^{2+} + 1/2O_2 + H_2O \rightarrow 2Fe_3 + + 2OH^{-}$,
$Fe^{3+} + 3OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_3$.

После отделения $Fe(OH)_3$ путем фильтрования производят осаждение меди, добавляя с этой целью порошкообразный никель

$Cu^{2+} + Ni \rightarrow Cu + Ni^{2+}$.

1000 г сплава, из которого состоит анод, содержат 950 г, или $950 : 29,35 = 32,4$ г-экв, никеля ($A = 58,7, Э = 29,35$); 25 г, или 0,89 г-экв, железа ($A = 55,8, Э = 27,9$) и 25 г, или 0,78 г-экв, меди ($A = 63,5; Э = 31,75$). Всего в 1000 г сплава содержится 34,1 г-экв металлов.

За 1 мин (60 с) при силе тока 2 кА в раствор переходит

$n = \frac{2500 \cdot 60}{96500} = 1,55$ г-экв металлов,

или 45,4 г материала анода, из них

$m_1 = \frac{45,4 \cdot 25}{1000} = 1,13$ г ионов $Fe^{2+}$.

Чтобы концентрация железа не превышала $1 г/дм^3$, все вносимое в раствор за 1 мин железо должно выводиться из электролизера, т. е. скорость циркуляции раствора должна составлять $1,13 дм^3/мин$.

При 98 %-катодном выходе суточное производство никеля в описанном электролизере равно

$m_2 = 0,98 \cdot \frac {2500 \cdot 3600 \cdot 24}{96500} \cdot \frac{58,7}{2} \cdot 10^{-3} \simeq 64,44 \: кг \: Ni$.
8 класс Химия Средняя

Ещё по теме

Приведенная на рис. схема представляет в упрощенном виде технологическую линию по переработке хлорида натрия (на ней не показаны некоторые необходимые в производстве аппараты: насосы, промывные башни, теплообменники и пр.). Буквами $R_1, R_2, \cdots R_9$ на схеме обозначены реакторы и аппараты, в которых протекают основ, ные химические процессы. Линиями 1 - 20 обозначены трубопроводы, по которым осуществляется транспорту ровка сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а буквами А - F отмечены резервуары и контейнеры для готовой продукции. а. Приведите уравнения реакций, осуществляемых в реакторах $R$. Опишите принципы действия этих реакторов и кратко охарактеризуйте происходящие в них процессы (допустим, например, что в некотором реакторе $R_{10}$ осуществляется растворение $NaOH$ в горячей воде). б. Объясните, что транспортируется по трубопроводам 1-20. в. Назовите готовую продукцию, находящуюся в резервуарах и контейнерах $A-F$. При решении задачи можно воспользоваться следующими дополнительными данными: $R_1$ - электролизер с ртутными катодами и графитовыми анодами; $R_3$ - батарея выпарных аппаратов (обозначен только один из них) для концентрирования растворов: $R_5$ - фильтр-пресс для отделения кристаллов от раствора; $R_6$ - сушильная камера; $F$ - ненасыщенное соединение (мономер), который после полимеризации включается в состав ряда широко распространенных пластмасс; 1 - водный раствор хлорида натрия; 2 и 17 - вода; 10 - известковое молоко,
8 класс Химия Средняя