Question

1．某锂离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO₂）、可利用含钴废催化剂（主要成分为Co、Fe，SiO₂杂质不与硫酸反应）为为原料制取，其工艺流程如下：

（1）第Ⅰ步在过滤后，将滤渣洗涤2-3次，洗液与滤液合并，其目的是提高钴等元素的利用率．
（2）检验第Ⅱ步所得的生成液中Cl^-的方法是取少量该生成液于试管中，加入过量Ba（NO₃）₂溶液，过滤，向滤液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若产生白色沉淀，则说明溶液中有Cl^-．
（3）第Ⅲ步加入适量的Na₂CO₃调节酸度，生成黄钠铁矾[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀，写出该反应的化学方程式3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑．
（4）工业上利用第Ⅴ步、第Ⅵ步产生的废气（CO₂）来生产燃料甲醇，己知常温常压下：
①CH₃OH （1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H₁=-354.8kJ/mo1
②2CO₂（g）=2CO（g）+O₂（g）△H₂=+566kJ/mo1，
则反应2CO₂（g）+4H₂O（g）=2CH₃OH（g）+3O₂（g）△H=+1275.6kJ/mo1
（5）已知第Ⅴ步测得充分燃烧后钴氧化物质量为2.41g，CO₂的体积为1.344L（标准状况）．写出该钴氧化物的化学式Co₃O₄，第VI步生成钴酸锂（LiCoO₂）的化学方程式为6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂．
（6）将制得的钴酸锂（LiCoO₂）的正极粉均匀涂覆在铝箔上按如图所示装置进行电解，有一定量的钴以Co²⁺的形式从正极粉中浸出，且两极均有气泡产生，阴极的电极反应式是LiCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O和2H⁺+2e^-=H₂↑．

Answer 1

分析 含钴废催化剂（主要成分为Co、Fe，SiO₂杂质不与硫酸反应）中加入稀硫酸酸浸然后过滤，Co、Fe和稀硫酸反应生成硫酸盐，SiO₂不反应，然后过滤，向滤液中加入NaClO₃，发生氧化还原反应，离子方程式为ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=6Fe³⁺+Cl^-+3H₂O，向溶液中加入Na₂CO₃并调节溶液的pH然后过滤，发生的反应方程式为3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，然后向滤液中加入碳酸钠、草酸铵，然后过滤得到草酸钴，通入氧气并灼烧草酸钴，得到二氧化碳和钴氧化合物，n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根据C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根据Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，则钴氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以钴氧化物化学式为Co₃O₄；
钴氧化合物和碳酸锂、氧气发生氧化还原反应6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，得到固体LiCoO₂，
（1）第Ⅰ步在过滤后，将滤渣洗涤2-3次，洗液与滤液合并，能减少Co元素的损失；
（2）用硝酸酸化的硝酸银溶液检验氯离子；
（3）Na₂CO₃和硫酸铁发生反应生成[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀；
（4）根据盖斯定律计算反应热；
（5）n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根据C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根据Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，则钴氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以钴氧化物化学式为Co₃O₄；
钴氧化物和碳酸锂、氧气发生氧化还原反应生成二氧化碳和LiCoO₂；
（6）阴极上氢离子得电子生成氢气，阳极上氢氧根离子失电子生成氧气，所以两极均得到气体，阴极上LiCoO₂得电子和氢离子反应生成Co²⁺．

解答 解：含钴废催化剂（主要成分为Co、Fe，SiO₂杂质不与硫酸反应）中加入稀硫酸酸浸然后过滤，Co、Fe和稀硫酸反应生成硫酸盐，SiO₂不反应，然后过滤，向滤液中加入NaClO₃，发生氧化还原反应，离子方程式为 ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=6Fe³⁺+Cl^-+3H₂O，向溶液中加入Na₂CO₃并调节溶液的pH然后过滤，发生的反应方程式为3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，然后向滤液中加入碳酸钠、草酸铵，然后过滤得到草酸钴，通入氧气并灼烧草酸钴，得到二氧化碳和钴氧化合物，n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根据C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根据Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，则钴氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以钴氧化物化学式为Co₃O₄；
钴氧化合物和碳酸锂、氧气发生氧化还原反应6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，得到固体LiCoO₂，
（1）第Ⅰ步在过滤后，将滤渣洗涤2-3次，洗液与滤液合并，能减少Co元素的损失，从而提高钴等元素的利用率，故答案为：提高钴等元素的利用率；
（2）用硝酸酸化的硝酸银溶液检验氯离子，其检验方法为取少量该生成液于试管中，加入过量Ba（NO₃）₂溶液，过滤，向滤液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若产生白色沉淀，则说明溶液中有Cl^-
，
故答案为：取少量该生成液于试管中，加入过量Ba（NO₃）₂溶液，过滤，向滤液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若产生白色沉淀，则说明溶液中有Cl^-；
（3）Na₂CO₃和硫酸铁发生反应生成[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀，反应方程式为3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，故答案为：3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑；
（4）①CH₃OH （1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H₁=-354.8kJ/mo1
②2CO₂（g）=2CO（g）+O₂（g）△H₂=+566kJ/mo1，
将方程式②-2①得2CO₂（g）+4H₂O（g）=2CH₃OH（g）+3O₂（g）△H=（+566kJ/mo1）-2（-354.8kJ/mo1）=+1275.6kJ/mo1，故答案为：+1275.6；
（5）n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根据C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根据Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，则钴氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以钴氧化物化学式为Co₃O₄；
钴氧化物和碳酸锂、氧气发生氧化还原反应生成二氧化碳和LiCoO₂，反应方程式为6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，
故答案为：Co₃O₄；6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂；
（6）阴极上氢离子得电子生成氢气，阳极上氢氧根离子失电子生成氧气，所以两极均得到气体，阴极上LiCoO₂得电子和氢离子反应生成Co²⁺，
电极反应式为LiCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O和 2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案为：LiCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O； 2H⁺+2e^-=H₂↑．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，侧重考查学生分析推断及基本实验操作能力，明确流程图中发生的反应、基本操作方法、物质的性质是解本题关键，难点是（5）题钴氧化物化学式的确定，题目难度中等．