Question

【題目】鈷（Co）及其化合物在工業上有廣泛應用。為從某工業廢料中回收鈷,某學生設計流程如下（廢料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物質）。

已知:①物質溶解性:LiF難溶于水,Li2CO3微溶于水;

②部分金屬離子形成氫氧化物沉淀的pH見下表。

	Fe3+	Co2+	Co3+	Al3+
pH(開始沉淀)	1.9	7.15	-0.23	3.4
pH(完全沉淀)	3.2	9.15	1.09	4.7

請回答:

（1）步驟Ⅰ中得到含鋁溶液的反應的離子方程式是__________。

（2）寫出步驟Ⅱ中Co2O3與鹽酸反應生成Cl2的離子方程式:______。

（3）步驟Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是調節溶液的pH,應使溶液的pH不超過______;廢渣中的主要成分除了LiF外,還有______。

（4）NaF與溶液中的Li+形成LiF沉淀,此反應對步驟Ⅳ所起的作用是______。

（5）在空氣中加熱5.49 g草酸鈷晶體（CoC2O4·2H2O）樣品,受熱過程中不同溫度范圍內分別得到一種固體物質,其質量如表。

溫度范圍/℃	固體質量/g
150~210	4.41
290~320	2.41
890~920	2.25

①加熱到210 ℃時,固體質量減輕的原因是__________。

②經測定,加熱到210~290 ℃過程中的生成物只有CO2和鈷的氧化物,此過程發生反應的化學方程式為___________。[已知M(CoC2O4·2H2O)=183 g·mol-1]

Answer 1

【答案】 2Al+2OH-+2H2O2AlO2 -+3H2↑ Co2O3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+3H2O 7.15 Fe(OH)3 降低濾液中Li+濃度,避免步驟Ⅳ中產生 Li2CO3沉淀失去結晶水 3CoC2O4+2O2Co3O4+6CO2

【解析】流程分析：廢料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物質，流程目的為回收鈷，則Al、Li、Fe等元素為雜質，要進行除雜。步驟Ⅰ：堿浸泡，利用NaOH溶液溶解廢料中的Al，得到鈷渣和含鋁溶液。步驟Ⅱ，酸液，向鈷渣中加入鹽酸，Li、Co2O3和Fe2O3均溶解。步驟Ⅲ，凈化，加入稀碳酸鈉溶液，調節溶液pH，促進Fe3+水解，生成氫氧化鐵沉淀，加入NaF,可以生成難溶的LiF沉淀。步驟Ⅳ，在濾液中加入濃碳酸鈉溶液，將鈷離子轉化為碳酸鈷沉淀。再加入鹽酸和草酸銨溶液得到草酸鈷晶體，高溫分解得到CoO。

（1）步驟Ⅰ中加NaOH，Al和NaOH溶液反應生成NaAlO2和H2，故離子方程式為：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2 -+3H2↑；

（2）步驟Ⅱ中Co2O3與鹽酸反應生成Cl2，根據上述流程分析，Co元素最終變為+2價，則該反應中，Co2O3的還原產物為CoCl2。結合原子守恒和電子守恒分析配平可得離子方程式：Co2O3+6H++2Cl-=2Co2++Cl2↑+3H2O；

（3）步驟Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是調節溶液的pH，沉淀鐵離子，依據表中數據分析判斷應使溶液的pH超過3.2，但不能沉淀鈷離子，應使溶液的pH不超過7.15，廢渣中的主要成分除了LiF外還有Fe(OH)3；

故答案為：7.15；Fe(OH)3；

（4）步驟Ⅳ中加入濃碳酸鈉溶液沉淀鈷離子，根據已知信息，Li2CO3微溶，為了避免在步驟Ⅳ中生成Li2CO3，在步驟Ⅲ中先加入NaF與溶液中的Li+形成難溶的LiF沉淀，減小Li+的濃度，避免CoCO3中引入Li2CO3雜質。

故答案為：降低溶液中Li+濃度，避免步驟Ⅳ中產生Li2CO3沉淀；

（5）晶體物質的量n=，則結晶水共0.06mol，結晶水的質量=0.06mol×18g/mol=1.08g。根據圖表數據可知，150～210℃范圍內，固體質量變化=5.49g-4.41g=1.08g，說明210°C失去所有結晶水得到CoC2O4。210～290℃過程中是CoC2O4的反應，加熱到210～290 ℃過程中的生成物只有CO2和鈷的氧化物，n(CO2)=0.06mol，m(CO2)=0.06mol×44g/mol=2.64g，根據表格數據，此階段固體質量共減小=4.41g-2.41g=2g＜m(CO2)，說明此階段還有另外的物質參與反應。根據元素守恒，參加反應的還有O2，則反應的m(O2)=2.64g-2g=0.64g，n(O2)=0.02mol；所以n(CoC2O4)：n(O2)：n(CO2)=0.03∶0.02∶0.06=3∶2∶6，依據原子守恒得化學方程式：3CoC2O4+2O2 Co3O4+6CO2。

故答案為：Li2CO3沉淀失去結晶水；3CoC2O4+2O2 Co3O4+6CO2。