题目内容
【题目】钴（Co）及其化合物在工业上有广泛应用。为从某工业废料中回收钴,某学生设计流程如下（废料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物质）。
已知:①物质溶解性:LiF难溶于水,Li2CO3微溶于水;
②部分金属离子形成氢氧化物沉淀的pH见下表。
Fe3+ | Co2+ | Co3+ | Al3+ | |
pH(开始沉淀) | 1.9 | 7.15 | -0.23 | 3.4 |
pH(完全沉淀) | 3.2 | 9.15 | 1.09 | 4.7 |
请回答:
（1）步骤Ⅰ中得到含铝溶液的反应的离子方程式是__________。
（2）写出步骤Ⅱ中Co2O3与盐酸反应生成Cl2的离子方程式:______。
（3）步骤Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是调节溶液的pH,应使溶液的pH不超过______;废渣中的主要成分除了LiF外,还有______。
（4）NaF与溶液中的Li+形成LiF沉淀,此反应对步骤Ⅳ所起的作用是______。
（5）在空气中加热5.49 g草酸钴晶体（CoC2O4·2H2O）样品,受热过程中不同温度范围内分别得到一种固体物质,其质量如表。
温度范围/℃ | 固体质量/g |
150~210 | 4.41 |
290~320 | 2.41 |
890~920 | 2.25 |
①加热到210 ℃时,固体质量减轻的原因是__________。
②经测定,加热到210~290 ℃过程中的生成物只有CO2和钴的氧化物span>,此过程发生反应的化学方程式为___________。[已知M(CoC2O4·2H2O)=183 g·mol-1]
【答案】 2Al+2OH-+2H2O
2AlO2 -+3H2↑ Co2O3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+3H2O 7.15 Fe(OH)3 降低滤液中Li+浓度,避免步骤Ⅳ中产生 Li2CO3沉淀失去结晶水 3CoC2O4+2O2Co3O4+6CO2
【解析】流程分析：废料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物质，流程目的为回收钴，则Al、Li、Fe等元素为杂质，要进行除杂。步骤Ⅰ：碱浸泡，利用NaOH溶液溶解废料中的Al，得到钴渣和含铝溶液。步骤Ⅱ，酸液，向钴渣中加入盐酸，Li、Co2O3和Fe2O3均溶解。步骤Ⅲ，净化，加入稀碳酸钠溶液，调节溶液pH，促进Fe3+水解，生成氢氧化铁沉淀，加入NaF,可以生成难溶的LiF沉淀。步骤Ⅳ，在滤液中加入浓碳酸钠溶液，将钴离子转化为碳酸钴沉淀。再加入盐酸和草酸铵溶液得到草酸钴晶体，高温分解得到CoO。
（1）步骤Ⅰ中加NaOH，Al和NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2，故离子方程式为：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2 -+3H2↑；
（2）步骤Ⅱ中Co2O3与盐酸反应生成Cl2，根据上述流程分析，Co元素最终变为+2价，则该反应中，Co2O3的还原产物为CoCl2。结合原子守恒和电子守恒分析配平可得离子方程式：Co2O3+6H++2Cl-=2Co2++Cl2↑+3H2O；
（3）步骤Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是调节溶液的pH，沉淀铁离子，依据表中数据分析判断应使溶液的pH超过3.2，但不能沉淀钴离子，应使溶液的pH不超过7.15，废渣中的主要成分除了LiF外还有Fe(OH)3；
故答案为：7.15；Fe(OH)3；
（4）步骤Ⅳ中加入浓碳酸钠溶液沉淀钴离子，根据已知信息，Li2CO3微溶，为了避免在步骤Ⅳ中生成Li2CO3，在步骤Ⅲ中先加入NaF与溶液中的Li+形成难溶的LiF沉淀，减小Li+的浓度，避免CoCO3中引入Li2CO3杂质。
故答案为：降低溶液中Li+浓度，避免步骤Ⅳ中产生Li2CO3沉淀；
（5）晶体物质的量n=
，则结晶水共0.06mol，结晶水的质量=0.06mol×18g/mol=1.08g。根据图表数据可知，150～210℃范围内，固体质量变化=5.49g-4.41g=1.08g，说明210°C失去所有结晶水得到CoC2O4。210～290℃过程中是CoC2O4的反应，加热到210～290 ℃过程中的生成物只有CO2和钴的氧化物，n(CO2)=0.06mol，m(CO2)=0.06mol×44g/mol=2.64g，根据表格数据，此阶段固体质量共减小=4.41g-2.41g=2g＜m(CO2)，说明此阶段还有另外的物质参与反应。根据元素守恒，参加反应的还有O2，则反应的m(O2)=2.64g-2g=0.64g，n(O2)=0.02mol；所以n(CoC2O4)：n(O2)：n(CO2)=0.03∶0.02∶0.06=3∶2∶6，依据原子守恒得化学方程式：3CoC2O4+2O2
Co3O4+6CO2。
故答案为：Li2CO3沉淀失去结晶水；3CoC2O4+2O2 Co3O4+6CO2。
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