Question

10．鈷（Co）及其化合物在工業(yè)上有廣泛應用．為從某工業(yè)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(zhì)）．

已知：①物質(zhì)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2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）寫出步驟Ⅱ中Co₂O₃與鹽酸反應的離子方程式Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O
（3）步驟Ⅲ中Na₂CO₃溶液的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH，應使溶液的pH不超過7.15．廢渣中的成分有LiF，F(xiàn)e（OH）₃．
（4）NaF與溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，此反應對步驟Ⅳ所起的作用是降低溶液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產(chǎn)生Li₂CO₃沉淀．
（5）在空氣中加熱CoC₂O₄固體，經(jīng)測定，210～290℃的過程中只產(chǎn)生CO₂和一種化合物，該化合物中鈷元素的質(zhì)量分數(shù)為73.44%．此過程發(fā)生反應的化學方程式是3CoC₂O₄+2O_{2$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$} Co₃O₄+6CO₂．
（6）某鋰離子電池的總反應為C+LiCoO₂$?_{放電}^{充電}$ Li_xC+Li_1-xCoO₂，Li_xC中Li的化合價為0價，該鋰離子電池充電時陽極的電極反應式為LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂+xLi⁺．

Answer 1

分析 該工藝流程為：廢料加入氫氧化鈉溶液堿浸，得到鈷渣，加入鹽酸溶解后發(fā)生氧化還原反應，氧化鈷氧化氯離子為氯氣，過濾得到酸溶的溶液加入碳酸鈉溶液和NaF溶液凈化，除去鋰離子和鐵離子，在濾液中加入碳酸鈉溶液沉淀鈷離子為碳酸鈷沉淀，加入鹽酸和草酸銨溶液得到草酸鈷晶體，高溫分解得到氧化鈷；
（1）步驟Ⅰ中鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉和氫氣；
（2）Co₂O₃與鹽酸反應生成Cl₂，依據(jù)得失電子守恒結(jié)合原子個數(shù)守恒寫成反應的離子方程式；
（3）依據(jù)表中數(shù)據(jù)分析判斷加入碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液PH，沉淀鐵離子和鋰離子，但不能沉淀鈷離子；
（4）NaF與溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，防止鋰離子結(jié)合碳酸根離子形成碳酸鋰沉淀；
（5）210℃～290℃過程中是CoC₂O₄發(fā)生的反應，210℃～290℃過程中產(chǎn)生的氣體只有CO₂ ，依據(jù)元素守恒得到生成CO₂物質(zhì)的量為0.06mol，質(zhì)量=0.06mol×44g/mol=2.64g，氣體質(zhì)量共計減小=4.41g-2.41g=2g，說明不是分解反應，參加反應的還有氧氣，則反應的氧氣質(zhì)量=2.64g-2g=0.64g，O₂物質(zhì)的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，依據(jù)原子守恒配平書寫反應的化學方程式；
（6）LiCoO₂中鋰元素化合價為+1價，則依據(jù)放電反應分析判斷，Li_xC中鋰元素化合價為0價，由鋰離子電池的總反方程式可知C+LiCoO₂→Li_xC+Li_1-xCoO₂為充電過程即為電解池，則鋰硫電池給鋰離子電池充電，LiCoO₂為陽極失電子發(fā)生氧化反應，

解答 解：（1）步驟Ⅰ中鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉和氫氣，反應的離子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）Co₂O₃與鹽酸反應生成Cl₂，反應中鈷元素化合價降低為+2價．氯元素化合價-1價變化為0價，依據(jù)得失電子守恒可知Co₂O₃的系數(shù)為1，Cl^-的系數(shù)為2，結(jié)合原子個數(shù)守恒，反應的離子方程式：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
故答案為：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
（3）依據(jù)表中數(shù)據(jù)分析判斷加入碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液PH，沉淀鐵離子和鋰離子，但不能沉淀鈷離子，步驟Ⅲ中Na₂CO₃溶液的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH，應使溶液的pH不超過7.15，廢渣中的主要成分為LiF和Fe（OH）₃；
故答案為：7.15； LiF，F(xiàn)e（OH）₃；
（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，降低溶液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產(chǎn)生Li₂CO₃沉淀；
故答案為：降低溶液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產(chǎn)生Li₂CO₃沉淀；
（5）210℃～290℃過程中是CoC₂O₄發(fā)生的反應，產(chǎn)生的氣體只有CO₂ ，依據(jù)元素守恒得到生成CO₂物質(zhì)的量為0.06mol，質(zhì)量=0.06mol×44g/mol=2.64g，氣體質(zhì)量共計減小=4.41g-2.41g=2g，說明說明有氣體參加反應應為氧氣，則反應的氧氣質(zhì)量=2.64g-2g=0.64g，O₂物質(zhì)的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，則：
n（CoC₂O₄）：n（O₂）：n（CO₂）=0.03：0.02：0.06=3：2：6，
方程式計量系數(shù)之比等于轉(zhuǎn)化量之比，所以該反應的方程式為：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂；
故答案為：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂；
（6）LiCoO₂中鋰元素化合價為+1價，則依據(jù)放電為原電池反應，鋰元素化合價升高發(fā)生氧化反應分析判斷，Li_xC中鋰元素化合價為0價，是鋰單質(zhì)鑲嵌在碳中做原電池負極，由鋰離子電池的總反方程式可知C+LiCoO₂→Li_xC+Li_1-xCoO₂為充電過程即為電解池，則鋰硫電池給鋰離子電池充電，LiCoO₂為陽極失電子發(fā)生氧化反應：LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂ +xLi⁺，C為陰極得電子發(fā)生還原反應：C+xe^-+xLi⁺=Li_xC，
故答案為：0，LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂+xLi⁺；

點評 本題通過從某工業(yè)廢料中回收鈷的工藝流程考查了化學方程式、離子方程式書寫，確各個階段固體成分及先后分解生成物成分是解本題關鍵，題目難度中等．