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