Question

【题目】通常电动汽车使用的是锂电池，制备锂电池正极材料的主要原料为四氧化三钴，工业上用CoCl2·6H2O制备四氧化三钴。以水钴矿(主要成分为Co2O3、CoO、CuO、Fe2O3和SiO2等)为原料制备CoCl2·6H2O的工艺流程如图所示：

回答下列问题：

(1)“酸浸”

①写出滤渣A主要成分的一种用途________。钴的浸出率随酸浸时间、温度的变化关系如图所示。综合考虑，应选择的最佳工艺条件为________。

②Co2O3与浓硫酸反应除生成CoSO4和H2O外，还生成的一种物质是________。

(2)“净化除杂”过程包括除铁、除铜等步骤。

①除铁：加入适量Na2SO4固体，析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12，写出反应的离子方程式____________________________________。

②除铜：加入适量Na2S2O3，发生反应2Cu2+＋2S2O32-＋2H2O=Cu2S↓＋S↓＋4H+＋2SO42-，其中氧化产物为___________。

(3)“萃取和反萃取”

①试剂X的名称为_____________。

②实验室称取100 g原料(含钴11.80%)，反萃取时得到浓度为0.036 mol·L－1的CoCl2溶液5 L，忽略损耗，钴的产率＝_____________。

(4)以CoCl2·6H2O与NH4HCO3为原料，经两步经典反应合成四氧化三钴，第一步在80℃条件下二者生成Co2(OH)2CO3；第二步在600~820℃下Co2(OH)2CO3在空气中转化生成四氧化三钴，写出第二步反应的化学方程式_______________。

Answer 1

【答案】制光导纤维或石英玻璃等 12h，90℃ O2 2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+ SO42- 稀盐酸 90% 3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2↑+3H2O

【解析】

纵览整个流程可知，水钴矿(主要成分为Co2O3、CoO、CuO、Fe2O3和SiO2等)经浓硫酸酸浸后，SiO2不溶，过滤后除去，得到的滤液经过除铁、除铜等步骤后，再经过萃取，有机相中含有Co2+的有机溶液，加入稀盐酸反萃取，得到CoCl2水溶液D，结晶后得到CoCl2·6H2O，以此分析解答。

(1)①水钴矿主要成分除SiO2在酸浸过程中不能溶解，所以滤渣A的主要成分为SiO2，其用途有制光导纤维或石英玻璃等；结合题给图像和钴的浸出率来看，综合考虑成本，应选择的最佳工艺条件为12h，90℃；

②Co2O3与浓硫酸反应除生成CoSO4，可知Co2O3作氧化剂，而H2SO4中的H、S都处于最高价，故Co2O3只能氧化H2SO4中的O元素生成O2。

因此，本题正确答案为：制光导纤维或石英玻璃等；12h，90℃ ；O2；

(2)①加入适量Na2SO4固体，析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12，根据原子守恒可写出反应的离子方程式为2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+；

②加入适量Na2S2O3，发生反应2Cu2+＋2S2O32-＋2H2O=Cu2S↓＋S↓＋4H+＋2SO42-，Na2S2O3中硫元素的化合价是+2，化合价降低的是铜从+2价降到-1价，Na2S2O3中有一部分S化合价从+2价降到-2价或0价，有一部分从+2升高到+6价（生成H2SO4），所以氧化产物为SO42-。

因此，本题正确答案为：2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+ ；SO42-；

(3)①反萃取试剂X要能提供Cl-，应选稀盐酸。

②实验室称取100 g原料(含钴11.80%)，反萃取时得到浓度为0.036 mol·L－1的CoCl2溶液5 L，忽略损耗，钴的产率＝×100%=90%。

因此，本题正确答案为：稀盐酸 ；90%；

(4)在600~820℃下Co2(OH)2CO3在空气中转化生成四氧化三钴，O2作氧化剂，Co3O4为氧化产物，同时生成CO2，根据得失电子守恒，写出反应的化学方程式为3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2+3H2O。

因此，本题正确答案为：3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2+3H2O。