Question

水鈷礦中除SiO₂外，還有9.24% CoO、2.78% Fe₂O₃、0.96% MgO、0.084 % CaO。從中提取鈷的主要工藝流程如下：

（1）在一定濃度的H₂SO₄溶液中，鈷的浸出率隨時間、溫度的變化如圖所示。考慮生產成本和效率，最佳的浸出時間為       小時，最佳的浸出溫度為     ℃。

（2）請配平下列除鐵的化學方程式：
Fe₂(SO₄)₃+   H₂O+   Na₂CO₃=   Na₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂↓+   Na₂SO₄+   CO₂↑
（3）“除鈣、鎂”的原理反應為：MgSO₄+2NaF=MgF₂↓+Na₂SO₄ ；CaSO₄+2NaF=CaF₂↓+Na₂SO₄
已知K_sp（CaF₂）=1.11×10^－10，K_sp（MgF₂）=7.40×10^－11，加入過量NaF溶液反應完全后過濾，則濾液中       。
（4）“沉淀”中含雜質離子主要有SO₄^2－、F^－、    和     ；“操作X”包括      和       。
（5）某鋰離子電池正極是LiCoO₂，含Li⁺導電固體為電解質。充電時，Li^＋還原為Li，并以原子形式嵌入電池負極材料碳-6（C₆）中（如圖所示）。電池反應為LiCoO₂+C₆ CoO₂+LiC₆，寫出該電池放電時的正極反應式                          。

Answer 1

（16分）（1）12（2分），90（2分）
（2）3，6，6，1，5，6（2分）
3Fe₂(SO₄)₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆ (SO₄)₄(OH)₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑
（3）1.5（3分）
（4）NH₄^＋（1分）、Na^＋（1分）；洗滌（1分）、干燥（1分）
（5）CoO₂ + Li^＋ + e^－=LiCoO₂（3分）

解析試題分析：（1）讀圖可知，升高溫度，鈷的浸出率逐漸增大，因此60℃時生產效率太低，90℃時的生產效率與120℃時的生產效率相差不明顯，但是120℃時生產成本遠遠大于90℃時生產成本；因此最佳浸出溫度為90℃，而最佳浸出時間為12h；（2）觀察可知，該反應不涉及氧化還原反應，可以用設1法配平；設Na₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂的系數為1，根據鐵原子守恒可得Fe₂(SO₄)₃的系數為3；根據硫原子守恒可得Na₂SO₄的系數為5，根據鈉原子守恒可得Na₂CO₃的系數為6，根據碳原子守恒可得CO₂的系數為6，根據氫原子守恒可得H₂O的系數為6，即3Fe₂(SO₄)₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆ (SO₄)₄(OH)₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑；（3）c(Ca²⁺)/c(Mg²⁺)=[c(Ca²⁺)?c²(F^－)]/[c(Mg²⁺)?c²(F^－)]= K_sp（CaF₂）/ K_sp（MgF₂）=(1.11×10^－10)/( 7.40×10^－11)=1.5；（4）沉淀中所含雜質離子來自可溶性鹽電離，可溶性鹽來自沉淀步驟之前發生的反應，即加入稀硫酸酸浸時引入的硫酸根離子，加入碳酸鈉除鐵時引入的鈉離子，加入氟化鈉除去鈣、鎂時引入的氟離子，加入草酸銨沉淀鈷離子時引入的銨根離子；除去四水合草酸鈷沉淀中混有的可溶性物質，常用洗滌、干燥等操作；（5）放電時電池總反應為CoO₂+LiC₆=LiCoO₂+C₆，鈷元素由+4降為+3價，鋰元素由合金中的0升為+1價，則負極反應式為Li—e^－=Li⁺，陽離子移向正極，則鋰離子移向正極并參與正極上的反應，所以正極反應式為CoO₂+ e^－+ Li⁺= LiCoO₂。
考點：考查有關物質制備的化學工藝流程，涉及鈷浸出率的溫度和時間圖像分析、配平化學方程式、溶度積的計算、關鍵流程所涉及的反應原理、混合物分離與提純的操作、新型充電電池的正極反應式等。