Pd/A12O3是常见的汽车尾气催化剂。一种从废Pd/A12O3纳米催化剂(主要成分及含量:Pd0.3%,γ-A12O392.8%,其他杂质6.0%)中回收金属Pd的工艺:
已知:γ-Al2O3能与酸反应,α-A12O3不与酸反应。
回答下列问题:
(1)“预处理”时,γ-A12O3经焙烧转化为α-A12O3,该操作的主要目的是_________。
(2)“酸浸”时,Pd转化为PdCl42-,其离子方程式为_________。
(3)“滤液①”和“滤液②”中都含有的主要溶质有_________(填化学式)。
(4)“粗Pd”溶解时,可用稀HNO3替代NaClO3,但缺点是_________。两者相比,_________(填化学式)的氧化效率更高(氧化效率以单位质量得到的电子数表示)。
(5)“沉淀”时,转化为沉淀,其化学方程式为_________。
(6)酸性条件下,BrO3-能在负载Pd/A12O3纳米催化剂的电极表面快速转化为Br-。
①发生上述转化反应的电极应接电源的_________极(填“正”或“负”);
②研究表明,电流密度越大,电催化效率越高;但当电流密度过大时,该电极会发生副反应生成_________填化学式)。
有利于Pd与Al2O3的分离 3Pd+ClO3-+6H++11Cl-=3PdCl42-+3H2O AlCl3 对环境产生较大污染(或耗酸量大、或腐蚀性强、或氧化效率低) NaClO3
负 H2
【分析】
废Pd/A12O3纳米催化剂(主要成分及含量:Pd 0.3%,γ-A12O3 92.8%,其他杂质6.0%)进行预处理,废催化剂进行焙烧,使大量的γ-A12O3经焙烧转化为α-A12O3,处理后,加入足量盐酸和NaClO3进行酸浸和氧化处理,Pd转化为PdCl42-,γ-A12O3转化为Al3+后过滤,发生的离子反应为:3Pd+ClO3-+6H++11Cl-=3PdCl42-+3H2O,A12O3+6H+=2Al3++ 3H2O,α-A12O3不与酸反应,对酸浸后的溶液过滤,α-A12O3以滤渣的形式除去,得到含有PdCl42-、Al3+的滤液,向滤液中加入过量的Al单质,将PdCl42-置换为Pb单质,在进行过滤,得到主要含有Al3+、Cl-的滤液①,得到的固体主要含有Pb和过量的Al单质,再加入盐酸将过量的单质Al除去,再次过滤,得到主要含有Al3+、Cl-、H+的滤液②和粗Pd,向粗Pd中再次加入盐酸和NaClO3,将Pd溶解转化为PdCl42-,向得到的溶液中加入氨水,将PdCl42-转化为,再加入盐酸,使转化为沉淀,过滤后,对进行焙烧生成高纯度的Pd单质,据此分析解答。
【详解】
(1)由于α-A12O3不与酸反应,“预处理”时,γ-A12O3经焙烧转化为α-A12O3,该操作的主要目的是将大量的A12O3在酸浸时以沉淀的形式除去,有利于Pd与Al2O3的分离;
(2)根据分析,“酸浸”时,Pd转化为PdCl42-,其离子方程式为3Pd+ClO3-+6H++11Cl-=3PdCl42-+3H2O;
(3)根据分析“滤液①”主要含有Al3+、Cl-,“滤液②”中主要含有Al3+、Cl-、H+,二者都含有的主要溶质有AlCl3;
(4)“粗Pd”溶解时,可用稀HNO3替代NaClO3,但缺点是使用硝酸作氧化剂会生成氮氧化物,对环境产生较大污染(或耗酸量大、或腐蚀性强、或氧化效率低);63g硝酸为1mol做氧化剂转化为二氧化氮,转移1mol电子,即1g硝酸参与反应得到mol≈0.016mol的电子,106.5g NaClO3为1mol,做氧化剂转化为PdCl42-,转移6mol电子,即1g NaClO3参与反应得到mol≈0.056mol电子,两者相比,NaClO3的氧化效率更高。
(5)“沉淀”时,转化为沉淀,其化学方程式为+2HCl=↓+2NH4Cl;
(6) ①BrO3-能在负载Pd/A12O3纳米催化剂的电极表面快速转化为Br-,溴元素的化合价降低,得电子,发生还原反应,负载Pd/A12O3纳米催化剂的电极作阴极,电解池的阴极与电源的负极相连;
②电流密度越大,电催化效率越高;酸性条件下,但当电流密度过大时,进入到阴极的电子过多,多余的电子来不及被BrO3-得到转化为Br-,电解质溶液中的氢离子会结合多余的电子,则出现电极副反应:H++2e-=H2↑。
【点睛】
本题的难点为(6),由于电解池的电解液为酸性,有大量的氢离子,电流密度过大,即进入到阴极的电子数量过多,根据电解池阴极阳离子放电顺序,过多的电子首先会被氢离子得到转化为氢气。
硝酸的分子结构:
化学式(分子式):HNO3,结构式:HO—NO2。 HNO3是由极性键形成的极性分子,故易溶于水,分子问以范德华力结合,固态时为分子晶体。
硝酸的物理性质和化学性质:
(1)物理性质:纯硝酸是无色油状液体, 开盖时有烟雾,挥发性酸[沸点低→易挥发→酸雾]
熔点:-42℃,沸点:83℃。密度:1.5 g/cm3,与水任意比互溶,98%的硝酸为发烟硝酸,69%以上的硝酸为浓硝酸。
(2)化学性质:
①具有酸的一些通性:例如:
(实验室制CO2气体时,若无稀盐酸可用稀硝酸代替)
②不稳定性:HNO3见光或受热发生分解,HNO3越浓,越易分解.硝酸分解放出的NO2溶于其中而使硝酸呈黄色。有关反应的化学方程式为:
③强氧化性:不论是稀HNO3还是浓HNO3,都具有极强的氧化性,HNO3浓度越大,氧化性越强。其氧化性表现在以下几方面
A. 几乎能与所有金属(除Hg、Au外)反应。当HNO3与金属反应时,HNO3被还原的程度(即氮元素化合价降低的程度)取决于硝酸的浓度和金属单质还原性的强弱。对于同一金属单质而言,HNO3的浓度越小,HNO3被还原的程度越大,氮元素的化合价降低越多。一般反应规律为:
金属 + HNO3(浓) → 硝酸盐 + NO2↑ + H2O
金属 + HNO3(稀) → 硝酸盐 + NO↑ + H2O
较活泼的金属(如Mg、Zn等) + HNO3(极稀) → 硝酸盐 + H2O + N2O↑(或NH3等)
金属与硝酸反应的重要实例为:
①
该反应较缓慢,反应后溶液显蓝色,反应产生的无色气体遇到空气后变为红棕色(无色的NO被空气氧化为红棕色的NO2)。实验室通常用此反应制取NO气体。
②
该反应较剧烈,反应过程中有红棕色气体产生。此外,随着反应的进行,硝酸的浓度渐渐变稀,反应产生的气体是NO2、NO等的混合气体。
B. 常温下,浓HNO3能将金属Fe、A1钝化,使Fe、A1的表面氧化生成一薄层致密的氧化膜。因此,可用铁或铝制容器盛放浓硝酸,但要注意密封,以防止硝酸挥发变稀后与铁、铝反应。(与浓硫酸相似)
C. 浓HNO3与浓盐酸按体积比1∶3配制而成的混合液叫王水。王水溶解金属的能力更强,能溶解金属Pt、Au。
D. 能把许多非金属单质(如C、S、P等)氧化,生成最高价含氧酸或最高价非金属氧化物。例如:
E.能氧化某些具有还原性的物质,如等,应注意的是NO3-无氧化性,而当NO3-在酸性溶液中时,则具有强氧化性。例如,在Fe(NO3)2溶液中加入盐酸或硫酸,因引入了H+而使Fe2+被氧化为Fe3+;又如,向浓HNO3与足量的Cu反应后形成的Cu(NO3)2中再加入盐酸或硫酸,则剩余的Cu会与后来新形成的稀HNO3继续反应。 F. 能氧化并腐蚀某些有机物,如皮肤、衣服、纸张、橡胶等。因此在使用硝酸(尤其是浓硝酸)时要特别小心,万一不慎将浓硝酸弄到皮肤上,应立即用大量水冲洗,再用小苏打或肥皂液洗涤。
(3)保存方法:硝酸易挥发,见光或受热易分解,具有强氧化性而腐蚀橡胶,因此,实验室保存硝酸时,应将硝酸盛放在带玻璃塞的棕色试剂瓶中,并贮存在黑暗且温度较低的地方。
(4)用途:硝酸是一种重要的化工原料,可用于制造炸药、染料、塑料、硝酸盐等。
三大强酸:
几种常见酸的比较:
浓硝酸与稀硝酸的氧化性比较:
由铜与硝酸反应的化学方程式知,浓硝酸被还原为NO2,氮的化合价由+5→+4;而稀硝酸被还原为NO,氮的化合价由+5→+2,由此得出稀硝酸具有更强的氧化能力的结论是错误的。因为氧化剂氧化能力的强弱取决于得电子能力的强弱,而不是本身被还原的程度。实验证明,硝酸越浓,得电子的能力越强,因而其氧化能力越强。如稀硝酸能将HI氧化为I2,而浓硝酸可将HI氧化为HIO3。
硝酸在氧化还原反应中,其还原产物可能有多种价态的物质:等,这取决于硝酸的浓度和还原剂还原性的强弱。除前面的实例外,锌与硝酸可发生如下反应:
浓硝酸的漂白作用:
在浓硝酸中滴入几滴紫色石蕊试液,微热,可观察到:溶液先变红后褪色,说明浓硝酸具有强氧化性,可以使某些有色物质褪色(氧化漂白)。但一般不用它作漂白剂,因为它还具有强腐蚀性。新制氯水或浓硝酸能使淀粉碘化钾试纸先变蓝后褪色,这不是因为它们的漂白性,而是因为发生了如下的化学反应:
这是因为过量的氯水或硝酸又把I2氧化成了HIO3而使试纸褪色的。
另外,浓H2SO4遇湿润的蓝色石蕊试纸的现象是先变红后变黑。这是由浓H2SO4的强酸性和脱水性造成的(脱水炭化而变黑)。
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