Question

4．CoCl₂•6H₂O是制备钴酸锂电池用四氧化三钴粉末的主要原料，工业上利用水钴矿（主要成分为Co₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃等）制取CoCl₂•6H₂O的简化工艺流程如图所示：

（1）步骤1中三价钴转变为二价钴的离子反应方程式为：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O．
（2）步骤2中加入的NaClO₃目的是将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，方便利用水解除去铁离子，同时为溶液提供氯离子．
（3）部分金属阳离子以氢氧化物形式沉淀时的pH情况如下：

金属阳离子	Fe3+	Al3+	Fe2+	Co2+
开始沉淀的pH	2.2	4.1	7.5	7.6
沉淀完全的pH	3.5	5.4	9.5	9.2

步骤3中加入Na₂CO₃目的是除去铁和铝元素，其之所以可以除去铁和铝元素的原因是CO₃^2-与H⁺反应消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，生成Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀而将其除去．理论上，此步pH应该控制的范围是5.4≤PH＜7.6．
（4）操作1包括以下基本实验操作，它们是蒸发浓缩、冷却结晶和过滤、洗涤、风干．
（5）已知：Ag⁺+SCN^-=AgSCN↓，为测定粗品中CoCl₂•6H₂O的含量，称取11.9克粗品溶于水配成100mL溶液，从中取出25.00mL，先加入含AgNO₃0.03mol的溶液（杂质不反应），过量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，该滴定所用指示剂为Fe（NO₃）₃；若消耗KSCN溶液20.00mL则该粗品中CoCl₂•6H₂O的质量含量为80%．

Answer 1

分析 含钴废料中加入硫酸和亚硫酸钠，可得Co²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、H⁺，加入NaClO₃，可得到Fe³⁺，然后加入Na₂CO₃调pH至5.4，可得到Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，过滤后所得滤液主要含有CoCl₂，为得到CoCl₂•6H₂O晶体，应控制温度在86℃以下，加热时要防止温度过高而失去结晶水，可减压烘干，
（1）根据流程图结合信息浸出液含有的阳离子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等进行解答；
（2）NaClO₃的作用是将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，铁离子水解生成氢氧化铁被除去，同时为溶液提供氯离子；
（3）由表中数据可知，调节溶液PH在5.4≤PH＜7.6之间，可使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，并防止Co²⁺转化为Co（OH）₂沉淀；
（4）根据从溶液中制取固体的方法制取氯化钴固体，从而确定操作步骤；
（5）根据铁离子和硫氰根离子络合呈血红色分析该滴定所用指示剂，先根据过量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，求出与CoCl₂•6H₂O反应的AgNO₃，再根据CoCl₂•6H₂O～2AgCl关系式求质量分数．

解答 解：（1）向水钴矿水钴矿（主要成分为Co₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃等），加入硫酸和亚硫酸钠，浸出液含有的阳离子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等，所以Co₂O₃和亚硫酸钠在酸性条件下发生氧化还原，根据电荷守恒和得失电子守恒，反应的离子方程式为：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O，
故答案为：Co₂O₃+SO₃^2-+4H⁺=2Co²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
（2）NaClO₃具有氧化性，能将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，其发生反应的离子方程式为：ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=Cl^-+6Fe³⁺+3H₂O，铁离子水解生成氢氧化铁，方便利用水解除去铁离子，同时为溶液提供氯离子，
故答案为：将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，方便利用水解除去铁离子，同时为溶液提供氯离子；
（3）根据流程图可知，此时溶液中存在Fe³⁺、Al³⁺、Co²⁺金属离子，Fe³⁺、Al³⁺水解：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺、Al³⁺+3H₂O?Al（OH）₃+3H⁺，步骤3中加入Na₂CO₃，CO₃^2-与H⁺反应消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，由金属阳离子以氢氧化物形式沉淀时的pH情况可知，调节溶液PH在5.4≤PH＜7.6之间，可使Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，并防止Co²⁺转化为Co（OH）₂沉淀，
故答案为：CO₃^2-与H⁺反应消耗H⁺，促使Fe³⁺、Al³⁺水解平衡右移，生成Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀而将其除去；5.4≤PH＜7.6；
（4）利用从溶液中制取固体的方法制取氯化钴固体，其操作步骤为：蒸发浓缩、冷却结晶和过滤，
故答案为：蒸发浓缩；冷却结晶；
（5）Fe³⁺遇SCN^-溶液变为血红色，可作为检验Fe³⁺的特征试剂，为不引入杂质离子，所以该反应可用Fe（NO₃）₃作为滴定的指示剂，过量的AgNO₃用0.50mol•L^-1的KSCN溶液滴定，消耗KSCN溶液20.00mL，则过量的硝酸银为n=cv=0.5mol/L×0.02L=0.01mol，先加入含AgNO₃0.03mol的溶液（杂质不反应），则与CoCl₂•6H₂O反应的硝酸银的物质的量为：0.03mol-0.01mol=0.02mol，设25.00mLCoCl₂•6H₂O溶液中含有CoCl₂物质的量为x，
根据      CoCl₂•6H₂O～2AgCl～2AgNO₃，
            1                  2
            x                 0.02mol       x=0.01mol  m（CoCl₂•6H₂O）=nM=0.01mol×238g/mol=2.38g，
则粗产品中CoCl₂•6H₂O的质量分数是 $\frac{2.38g×\frac{100mL}{25mL}}{11.9g}×100%$=80%，
故答案为：Fe（NO₃）₃；80%．

点评 本题通过制取CoCl₂•6H₂O的工艺流程，考查了物质制备方案的设计，题目难度中等，理解工艺流程图、明确实验操作与设计及相关物质的性质是解答本题的关键，试题充分考查了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．