Question

4．CoCl₂•6H₂O是制備鈷酸鋰電池用四氧化三鈷粉末的主要原料，工業(yè)上利用水鈷礦（主要成分為Co₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃等）制取CoCl₂•6H₂O的簡化工藝流程如圖所示：

（1）步驟1中三價鈷轉(zhuǎn)變?yōu)槎�價鈷的離子反應(yīng)方程式為：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O．
（2）步驟2中加入的NaClO₃目的是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，方便利用水解除去鐵離子，同時為溶液提供氯離子．
（3）部分金屬陽離子以氫氧化物形式沉淀時的pH情況如下：

金屬陽離子	Fe3+	Al3+	Fe2+	Co2+
開始沉淀的pH	2.2	4.1	7.5	7.6
沉淀完全的pH	3.5	5.4	9.5	9.2

步驟3中加入Na₂CO₃目的是除去鐵和鋁元素，其之所以可以除去鐵和鋁元素的原因是CO₃^2-與H⁺反應(yīng)消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，生成Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀而將其除去．理論上，此步pH應(yīng)該控制的范圍是5.4≤PH＜7.6．
（4）操作1包括以下基本實驗操作，它們是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶和過濾、洗滌、風干．
（5）已知：Ag⁺+SCN^-=AgSCN↓，為測定粗品中CoCl₂•6H₂O的含量，稱取11.9克粗品溶于水配成100mL溶液，從中取出25.00mL，先加入含AgNO₃0.03mol的溶液（雜質(zhì)不反應(yīng)），過量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，該滴定所用指示劑為Fe（NO₃）₃；若消耗KSCN溶液20.00mL則該粗品中CoCl₂•6H₂O的質(zhì)量含量為80%．

Answer 1

分析 含鈷廢料中加入硫酸和亞硫酸鈉，可得Co²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、H⁺，加入NaClO₃，可得到Fe³⁺，然后加入Na₂CO₃調(diào)pH至5.4，可得到Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾后所得濾液主要含有CoCl₂，為得到CoCl₂•6H₂O晶體，應(yīng)控制溫度在86℃以下，加熱時要防止溫度過高而失去結(jié)晶水，可減壓烘干，
（1）根據(jù)流程圖結(jié)合信息浸出液含有的陽離子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等進行解答；
（2）NaClO₃的作用是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，鐵離子水解生成氫氧化鐵被除去，同時為溶液提供氯離子；
（3）由表中數(shù)據(jù)可知，調(diào)節(jié)溶液PH在5.4≤PH＜7.6之間，可使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，并防止Co²⁺轉(zhuǎn)化為Co（OH）₂沉淀；
（4）根據(jù)從溶液中制取固體的方法制取氯化鈷固體，從而確定操作步驟；
（5）根據(jù)鐵離子和硫氰根離子絡(luò)合呈血紅色分析該滴定所用指示劑，先根據(jù)過量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，求出與CoCl₂•6H₂O反應(yīng)的AgNO₃，再根據(jù)CoCl₂•6H₂O～2AgCl關(guān)系式求質(zhì)量分數(shù)．

解答 解：（1）向水鈷礦水鈷礦（主要成分為Co₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃等），加入硫酸和亞硫酸鈉，浸出液含有的陽離子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等，所以Co₂O₃和亞硫酸鈉在酸性條件下發(fā)生氧化還原，根據(jù)電荷守恒和得失電子守恒，反應(yīng)的離子方程式為：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O，
故答案為：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
（2）NaClO₃具有氧化性，能將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，其發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=Cl^-+6Fe³⁺+3H₂O，鐵離子水解生成氫氧化鐵，方便利用水解除去鐵離子，同時為溶液提供氯離子，
故答案為：將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，方便利用水解除去鐵離子，同時為溶液提供氯離子；
（3）根據(jù)流程圖可知，此時溶液中存在Fe³⁺、Al³⁺、Co²⁺金屬離子，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺水解：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺、Al³⁺+3H₂O?Al（OH）₃+3H⁺，步驟3中加入Na₂CO₃，CO₃^2-與H⁺反應(yīng)消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，由金屬陽離子以氫氧化物形式沉淀時的pH情況可知，調(diào)節(jié)溶液PH在5.4≤PH＜7.6之間，可使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，并防止Co²⁺轉(zhuǎn)化為Co（OH）₂沉淀，
故答案為：CO₃^2-與H⁺反應(yīng)消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，生成Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀而將其除去；5.4≤PH＜7.6；
（4）利用從溶液中制取固體的方法制取氯化鈷固體，其操作步驟為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶和過濾，
故答案為：蒸發(fā)濃縮；冷卻結(jié)晶；
（5）Fe³⁺遇SCN^-溶液變?yōu)檠�紅色，可作為檢驗Fe³⁺的特征試劑，為不引入雜質(zhì)離子，所以該反應(yīng)可用Fe（NO₃）₃作為滴定的指示劑，過量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，消耗KSCN溶液20.00mL，則過量的硝酸銀為n=cv=0.5mol/L×0.02L=0.01mol，先加入含AgNO₃0.03mol的溶液（雜質(zhì)不反應(yīng)），則與CoCl₂•6H₂O反應(yīng)的硝酸銀的物質(zhì)的量為：0.03mol-0.01mol=0.02mol，設(shè)25.00mLCoCl₂•6H₂O溶液中含有CoCl₂物質(zhì)的量為x，
根據(jù)      CoCl₂•6H₂O～2AgCl～2AgNO₃，
            1                  2
            x                 0.02mol       x=0.01mol  m（CoCl₂•6H₂O）=nM=0.01mol×238g/mol=2.38g，
則粗產(chǎn)品中CoCl₂•6H₂O的質(zhì)量分數(shù)是 $\frac{2.38g×\frac{100mL}{25mL}}{11.9g}×100%$=80%，
故答案為：Fe（NO₃）₃；80%．

點評 本題通過制取CoCl₂•6H₂O的工藝流程，考查了物質(zhì)制備方案的設(shè)計，題目難度中等，理解工藝流程圖、明確實驗操作與設(shè)計及相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)是解答本題的關(guān)鍵，試題充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學知識的能力．