Question

13．新的手機將更青睞于高密度的鈷鋰電池，鈷的冶煉工藝流程之一如圖所示．粗鈷礦粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺．

（1）步驟①所得濾渣為SiO₂（填化學式），用酸溶解粗鈷礦粉時，還需加入Na₂SO₃的原因是2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-（用一個化學方程式表示）．
（2）步驟②加入FeS是為了除去Cu²⁺，除去Cu²⁺離子方程式為FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺，步驟④所發(fā)生反應的離子方程式是Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓．
（3）步驟③加入A試劑從環(huán)保的角度考慮應是H₂O₂，調(diào)pH的目的是沉淀鐵離子．
（4）檢驗濾液B中的陽離子（能用作化肥）的方法是取濾液少許加入試管中，加入氫氧化鈉溶液加熱，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近試管口，若變藍色證明生成了氨氣，原濾液中含有NH₄⁺．
（5）若粗鈷礦粉樣品的質(zhì)量為20.00g，假設(shè)整個過程鈷元素未損失，最后用H₂還原時轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.1mol，則樣品中鈷的質(zhì)量分數(shù)為14.75%．

Answer 1

分析 粗鈷礦粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．粗鈷礦粉中加入硫酸溶解生成Co₂（SO₄）₃、硫酸銅、硫酸鐵、硫酸鈣、硫酸鎂，再加入亞硫酸鈉溶液，可以還原三價鈷離子、鐵離子為二價鈷離子和亞鐵離子，過濾得到濾渣為二氧化硅，浸出液中加入FeS實現(xiàn)程度轉(zhuǎn)化完全沉淀銅離子生成CuS沉淀，已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺，過濾得到濾液中加入氧化劑過氧化氫或氯氣氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)溶液PH=3.5鐵離子全部沉淀，過濾得到濾液中加入NaF溶液沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到濾液中加入碳酸銨溶液沉淀二價鈷離子生成CoCO₃沉淀，濾液中主要是銨鹽溶液，濾渣為CoCO₃沉淀，煅燒得到CoO，用氫氣還原得到金屬鈷；
（1）步驟①所得濾渣為二氧化硅，還需加入Na₂SO₃的原因是還原三價鈷離子，鐵離子；
（2）步驟②加入FeS是為了除去Cu²⁺，發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化生成CuS沉淀，步驟④所發(fā)生反應是氟離子沉淀鈣離子和鎂離子生成沉淀除去；
（3）步驟③加入A試劑從環(huán)保的角度考慮應是過氧化氫，調(diào)pH的目的是沉淀鐵離子；
（4）濾液B中的陽離子為銨根離子，依據(jù)銨根離子和氫氧根離子反應生成氨氣，利用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氨氣的存在設(shè)計實驗；
（5）依據(jù)反應中H₂+CoO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co+H₂O，氧化還原反應電子轉(zhuǎn)移總數(shù)和反應定量關(guān)系計算鈷元素質(zhì)量，得到樣品中鈷的質(zhì)量分數(shù)．

解答 解：由流程可知，粗鈷礦粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．粗鈷礦粉中加入硫酸溶解生成Co₂（SO₄）₃、硫酸銅、硫酸鐵、硫酸鈣、硫酸鎂，再加入亞硫酸鈉溶液，可以還原三價鈷離子、鐵離子為二價鈷離子和亞鐵離子，過濾得到濾渣為二氧化硅，浸出液中加入FeS實現(xiàn)程度轉(zhuǎn)化完全沉淀銅離子生成CuS沉淀，已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺，過濾得到濾液中加入氧化劑過氧化氫或氯氣氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)溶液PH=3.5鐵離子全部沉淀，過濾得到濾液中加入NaF溶液沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到濾液中加入碳酸銨溶液沉淀二價鈷離子生成CoCO₃沉淀，濾液中主要是銨鹽溶液，濾渣為CoCO₃沉淀，煅燒得到CoO，用氫氣還原得到金屬鈷；
（1）步驟①所得濾渣為二氧化硅，化學式為SiO₂，還需加入Na₂SO₃的原因是還原三價鈷離子，鐵離子，還原三價鈷離子反應的離子方程式為：2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-；
故答案為：SiO₂；2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-；
（2）步驟②加入FeS是為了除去Cu²⁺，發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化生成CuS沉淀，反應的離子方程式為：FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺；步驟④所發(fā)生反應是氟離子沉淀鈣離子和鎂離子生成沉淀除去，反應的離子方程式為：Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓；
故答案為：FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺；Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓；
（3）步驟③加入A試劑從環(huán)保的角度考慮應是過氧化氫，過氧化氫做氧化劑被還原生成水，無其他雜質(zhì)引入，調(diào)pH的目的是沉淀鐵離子；
故答案為：H₂O₂；沉淀鐵離子；
（4）濾液B中的陽離子為銨根離子，依據(jù)銨根離子和氫氧根離子反應生成氨氣，利用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氨氣的存在設(shè)計實驗，具體步驟和現(xiàn)象為：取濾液少許加入試管中，加入氫氧化鈉溶液加熱，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近試管口，若變藍色證明生成了氨氣，原濾液中含有NH₄⁺；
故答案為：取濾液少許加入試管中，加入氫氧化鈉溶液加熱，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近試管口，若變藍色證明生成了氨氣，原濾液中含有NH₄⁺；
（5）H₂+CoO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co+H₂O，反應中電子轉(zhuǎn)移總數(shù)為2e-，轉(zhuǎn)移2mol電子生成Co為1mol，則最后用H₂還原時轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.1mol，生成Co物質(zhì)的量為0.05mol，整個過程鈷元素未損失，得到樣品中鈷的質(zhì)量分數(shù)=$\frac{0.05mol×59g/mol}{20.00g}$×100%=14.75%，
故答案為：14.75%．

點評 本題考查了物質(zhì)制備的工業(yè)流程分析判斷，試劑選擇的原則和方法，除雜的步驟分析應用，主要是題干信息理解和物質(zhì)性質(zhì)的應用判斷，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度中等．