Question

12．Co_xFe_3-xO₄磁粉是一种比较好的高矫顽力磁粉．工业上以FeSO₄为原料制备Co_xFe_3-xO₄的主要步骤如下：
FeSO₄$\underset{\stackrel{\;}{→}}{①}$FeOOH$\underset{\stackrel{\;}{→}}{②}$Fe₂O₃$\underset{\stackrel{\;}{→}}{③}$Fe₃O₄$\underset{\stackrel{CuS{O}_{4}溶液④}{→}}{\;}$Co_xFe_3-xO₄
回答下列问题：
（1）步骤①是在FeSO₄溶液中加入NaOH溶液，在40℃下搅拌生成FeOOH．生成FeOOH的化学方程式为4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O．
（2）步骤②将FeOOH在200～300℃下加热脱水，生成红色Fe₂O₃．实验室完成该操作需要下列仪器中的cde（填字母）．
a．蒸发皿　　b．烧杯　　c．坩埚　　d．泥三角　　e．酒精灯
（3）步骤③通入H₂，加热至300～400℃，生成Fe₃O₄．通入H₂前要向加热炉中通入N₂，其作用为除去空气，防止氢气与氧气混合反应爆炸．
（4）步骤④加入CoSO₄溶液，所得粗产品经过滤、洗涤、干燥即得成品．检验粗产品是否洗涤干净的实验操作和现象是取最后一次洗涤滤出液少许于试管中，滴加氯化钡溶液，如果不产生白色沉淀，则表明洗涤干净；后发现滤液浑浊，请写出原因（一点即可）玻璃棒抵住滤纸时滤纸破裂、原液液面高于滤纸边缘．
（5）某研究小组欲用锂离子电池正极废料（含LiCoO₂、铝箔、铁的+2价和+3价的氧化物）制备CoSO₄•7H₂O晶体．已知在酸性条件下不稳定极易变成两价钴离子，下表列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol•L^-1计算）

金属离子	开始沉淀的pH	沉淀完全的pH
Fe3+	1.1	3.2
Fe2+	5.8	8.8
Co2+	6.9	9.4

请完成下列实验步骤（可选用的试剂：H₂O₂、稀硝酸、稀硫酸、NaOH溶液）：
①用N-甲基吡咯烷酮在120℃下浸洗正极废料，使LiCoO₂与铝箔分离，得到LiCoO₂粗品并回收铝．
②用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入过量H₂O₂．
③向所得粗品CoSO₄溶液中加入NaOH溶液，调节pH约为5，过滤．
④向③所得滤液中加入NaOH溶液，调节pH至9.4，过滤，洗涤得到Co（OH）₂沉淀．
⑤将Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸发浓缩、冷却结晶（填实验步骤），得到CoSO₄•7H₂O晶体．若欲再提纯，可以通过重结晶（填实验步骤）．

Answer 1

分析 （1）由题目信息，二价Fe被氧化为三价Fe，可知该反应的反应物为FeSO₄、NaOH和O₂，产物为FeOOH，同时生成Na₂SO₄，书写配平方程式；
（2）加热固体用坩埚，与其配套的有泥三角、三脚架、坩埚钳、酒精灯等；
（3）氢气易燃，在有氧气存在下加热会发生爆炸，故先用氮气排尽空气；
（4）取最后一次洗涤滤出液少许于试管中，滴加氯化钡溶液，检验是否含有硫酸根离子；根据过滤的注意事项分析滤液浑浊的可能原因；
（5）第①分离出LiCoO₂粗品，第②应用硫酸溶解粗品，用双氧化水把生成的杂质亚铁离子氧化为铁离子，可以用双氧化水；第③沉淀除去铁离子，得到纯净的溶液，第④应得到Co（OH）₂沉淀，应加入氢氧化钠溶液调节pH≥9.4，使钴沉淀完全，第⑤将Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥得到纯净物，对杂质溶解非常大或者非常小的可用重结晶进行提纯．

解答 解：（1）由题目信息，二价Fe被氧化为三价Fe，可知该反应的反应物为FeSO₄、NaOH和O₂，产物为FeOOH，同时生成Na₂SO₄，配平书写方程式为：4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O，
故答案为：4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；
（2）加热固体用坩埚，与其配套的有泥三角、三脚架、坩埚钳、酒精灯等，
故选：cde；
（3）氢气易燃，在有氧气存在下加热会发生爆炸，故先用氮气排尽空气，防止氢气与氧气混合反应爆炸，
故答案为：排尽装置中的空气，防止氢气与氧气混合反应爆炸；
（4）产品洗涤不干净，会附着硫酸盐，检验洗涤滤出液中是否含有硫酸根离子判断是否洗涤干净，检验粗产品洗涤干净的实验操作和现象是：取最后一次洗涤滤出液少许于试管中，滴加氯化钡溶液，如果不产生白色沉淀，则表明洗涤干净．过滤后滤液仍然浑浊，可能的原因是：滤纸破损、液面高于滤纸边缘，液体从漏斗和滤纸间的缝隙流下，还可能是承接滤液的烧杯不干净，
故答案为：取最后一次洗涤滤出液少许于试管中，滴加氯化钡溶液，如果不产生白色沉淀，则表明洗涤干净； 玻璃棒抵住滤纸时滤纸破裂、原液液面高于滤纸边缘（合理即可）；
（5）②：第①分离出LiCoO₂粗品，第③得CoSO₄溶液，并沉淀除去铁离子，故第②应用硫酸溶解粗品，且需把生成的杂质亚铁离子氧化为铁离子，可以用双氧化水；
故答案为：用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入过量H₂O₂；
④：第③得到纯净的溶液，第④应得到Co（OH）₂沉淀，应加入氢氧化钠溶液调节pH≥9.4，使钴沉淀完全，并洗涤、干燥得到纯净物；
故答案为：向③所得滤液中加入NaOH溶液，调节pH至9.4，过滤，洗涤得到Co（OH）₂沉淀．
⑤：制CoSO₄•7H₂O晶体包含的主要实验操作步骤是：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，若欲再提纯，因杂质含量小，可以通过重结晶再提纯，
故答案为：冷却结晶； 重结晶．

点评 本题考查Co_xFe_3-xO₄的制备，涉及沉淀的生成、化学实验等，需要学生具有扎实的基础与运用知识分析解决问题的能力，题目难度中等．