Question

4．CoCl₂•6H₂O是一種飼料營養(yǎng)強化劑．一種利用水鈷礦（主要成分為Co₂O₃、Co（OH）₃，還含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO等）制取CoCl₂•6H₂O的工藝流程如下：

已知：①浸出液含有陽離子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等；
②部分陽離子沉淀時溶液的pH見下表：（金屬離子濃度為：0.01mol/L）

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Co（OH）2	Al（OH）3	Mn（OH）2
開始沉淀	2.7	7.6	7.6	4.0	7.7
完全沉淀	3.7	9.6	9.2	5.2	9.8

③CoCl₂•6H₂O熔點為86℃，加熱至110～120℃時，失去結(jié)晶水生成CoCl₂．
（1）寫出浸出過程中Co₂O₃發(fā)生反應(yīng)的離子方程式Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O．
（2）寫出加適量NaClO₃發(fā)生反應(yīng)的主要離子方程式ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=Cl^-+6Fe³⁺+3H₂O．
（3）“加Na₂CO₃調(diào)pH至a”，過濾所得到的沉淀成分為Fe（OH）₃ 、Al（OH）₃．
（4）“操作1”中包含3個基本實驗操作，它們依次是蒸發(fā)（濃縮）、冷卻（結(jié)晶）和過濾．
（5）萃取劑對金屬離子的萃取率與pH的關(guān)系如圖1．向“濾液”中加入萃取劑的目的是除去溶液中的Mn²⁺；其使用的最佳pH范圍是B（填選項序號）．

A．2.0～2.5
B．3.0～3.5
C．4.0～4.5
D．5.0～5.5
（6）為測定粗產(chǎn)品中CoCl₂•6H₂O含量，稱取一定質(zhì)量的粗產(chǎn)品溶于水，加入足量AgNO₃溶液，過濾、洗滌，將沉淀烘干后稱其質(zhì)量．通過計算發(fā)現(xiàn)粗產(chǎn)品中CoCl₂•6H₂O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100%，其原因可能是粗產(chǎn)品含有可溶性氯化物或晶體失去了部分結(jié)晶水（答一條即可）．
（7）已知某鋰離子電池正極是LiCoO₂，含Li⁺導(dǎo)電固體為電解質(zhì)．充電時，Li⁺還原為Li，并以原子形式嵌入電池負(fù)極材料碳-6（C₆）中（如圖2所示）．若該電池的總反應(yīng)為LiCoO₂+C₆$\frac{\underline{\;充電\;}}{放電}$ CoO₂+LiC₆，則電池
放電時的正極反應(yīng)式為CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂．

Answer 1

分析 含鈷廢料中加入鹽酸，加入鹽酸和亞硫酸鈉，可得CoCl₂、AlCl₃、FeCl₂，加入NaClO₃，可得到FeCl₃，然后加入Na₂CO₃調(diào)pH至5.2，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(jìn)行解答；
（2）NaClO₃的作用是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺；
（3）根據(jù)鋁離子、鐵離子能與碳酸根離子發(fā)生雙水解生成沉淀和二氧化碳進(jìn)行解答；
（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）由表中數(shù)據(jù)可知，調(diào)節(jié)溶液PH在3.0～3.5之間，可使Mn²⁺完全沉淀，并防止Co²⁺轉(zhuǎn)化為Co（OH）₂沉淀；
（6）根據(jù)CoCl₂•6H₂O的組成分析，可能是含有雜質(zhì)，也可能是失去部分水；
（7）放電時，該裝置為原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)．

解答 解：（1）向水鈷礦[主要成分為Co₂O₃、Co（OH）₃，還含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO等]，加入鹽酸和亞硫酸鈉，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的作用是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，其反應(yīng)的離子方程式為：ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=Cl^-+6Fe³⁺+3H₂O，
故答案為：ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=Cl^-+6Fe³⁺+3H₂O；
（3）NaClO₃的作用是將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，加Na₂CO₃調(diào)pH至a，鋁離子能與碳酸根離子發(fā)生雙水解生成氫氧化鋁和二氧化碳，水解的離子方程式為：2Al³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Al（OH）₃↓+3CO₂↑；鐵離子能與碳酸根離子發(fā)生雙水解生成氫氧化鐵和二氧化碳，水解的離子方程式為：2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑，所以沉淀成分為：Fe（OH）₃、Al（OH）₃，
故答案為：Fe（OH）₃、Al（OH）₃；
（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）根據(jù)流程圖可知，此時溶液中存在Mn²⁺、Co²⁺金屬離子；
由萃取劑對金屬離子的萃取率與pH的關(guān)系可知，調(diào)節(jié)溶液PH在3.0～3.5之間，可使Mn²⁺完全沉淀，并防止Co²⁺轉(zhuǎn)化為Co（OH）₂沉淀，
故答案為：除去溶液中的Mn²⁺；B；
（6）根據(jù)CoCl₂•6H₂O的組成分析，造成產(chǎn)品中CoCl₂•6H₂O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100%的原因可能是：含有雜質(zhì)，導(dǎo)致氯離子含量大或結(jié)晶水化物失去部分水，導(dǎo)致相同質(zhì)量的固體中氯離子含量變大，
故答案為：粗產(chǎn)品含有可溶性氯化物或晶體失去了部分結(jié)晶水；
（7）放電時，該裝置為原電池，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂，
故答案為：CoO₂+Li⁺+e^-=LiCoO₂．

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(xué)生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力．