Question

15．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2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）写出步骤Ⅱ中Co₂O₃与盐酸反应的离子方程式Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O
（3）步骤Ⅲ中Na₂CO₃溶液的作用是调节溶液的pH，应使溶液的pH不超过7.15．废渣中的成分有LiF，Fe（OH）₃．
（4）NaF与溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，此反应对步骤Ⅳ所起的作用是降低溶液中Li⁺浓度，避免步骤Ⅳ中产生Li₂CO₃沉淀．
（5）在空气中加热CoC₂O₄固体，经测定，210～290℃的过程中只产生CO₂和一种二化合物，该化合物中钴元素的质量分数为73.44%．此过程发生反应的化学方程式是3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂．
（6）某锂离子电池的总反应为C+LiCoO₂$?_{放电}^{充电}$ Li_xC+Li_1-xCoO₂，Li_xC中Li的化合价为0价，该锂离子电池充电时阳极的电极反应式为LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂+xLi⁺．

Answer 1

分析 该工艺流程为：废料加入氢氧化钠溶液碱浸，得到钴渣，加入盐酸溶解后发生氧化还原反应，氧化钴氧化氯离子为氯气，过滤得到酸溶的溶液加入碳酸钠溶液和NaF溶液净化，除去锂离子和铁离子，在滤液中加入碳酸钠溶液沉淀钴离子为碳酸钴沉淀，加入盐酸和草酸铵溶液得到草酸钴晶体，高温分解得到氧化钴；
（1）步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和氢气；
（2）Co₂O₃与盐酸反应生成Cl₂，依据得失电子守恒结合原子个数守恒写成反应的离子方程式；
（3）依据表中数据分析判断加入碳酸钠调节溶液PH，沉淀铁离子和锂离子，但不能沉淀钴离子；
（4）NaF与溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，防止锂离子结合碳酸根离子形成碳酸锂沉淀；
（5）210℃～290℃过程中是CoC₂O₄发生的反应，210℃～290℃过程中产生的气体只有CO₂ ，依据元素守恒得到生成CO₂物质的量为0.06mol，质量=0.06mol×44g/mol=2.64g，气体质量共计减小=4.41g-2.41g=2g，说明不是分解反应，参加反应的还有氧气，则反应的氧气质量=2.64g-2g=0.64g，O₂物质的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，依据原子守恒配平书写反应的化学方程式；
（6）LiCoO₂中锂元素化合价为+1价，则依据放电反应分析判断，Li_xC中锂元素化合价为0价，由锂离子电池的总反方程式可知C+LiCoO₂→Li_xC+Li_1-xCoO₂为充电过程即为电解池，则锂硫电池给锂离子电池充电，LiCoO₂为阳极失电子发生氧化反应．

解答 解：（1）步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和氢气，反应的离子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）Co₂O₃与盐酸反应生成Cl₂，反应中钴元素化合价降低为+2价．氯元素化合价-1价变化为0价，依据得失电子守恒可知Co₂O₃的系数为1，Cl^-的系数为2，结合原子个数守恒，反应的离子方程式：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
故答案为：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
（3）依据表中数据分析判断加入碳酸钠调节溶液PH，沉淀铁离子和锂离子，但不能沉淀钴离子，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7.15，废渣中的主要成分为LiF和Fe（OH）₃；
故答案为：7.15； LiF，Fe（OH）₃；
（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，降低溶液中Li⁺浓度，避免步骤Ⅳ中产生Li₂CO₃沉淀；
故答案为：降低溶液中Li⁺浓度，避免步骤Ⅳ中产生Li₂CO₃沉淀；
（5）210℃～290℃过程中是CoC₂O₄发生的反应，产生的气体只有CO₂ ，依据元素守恒得到生成CO₂物质的量为0.06mol，质量=0.06mol×44g/mol=2.64g，气体质量共计减小=4.41g-2.41g=2g，说明说明有气体参加反应应为氧气，则反应的氧气质量=2.64g-2g=0.64g，O₂物质的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，则：
n（CoC₂O₄）：n（O₂）：n（CO₂）=0.03：0.02：0.06=3：2：6，
方程式计量系数之比等于转化量之比，所以该反应的方程式为：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂；
故答案为：3CoC₂O₄+2O₂$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co₃O₄+6CO₂；
（6）LiCoO₂中锂元素化合价为+1价，则依据放电为原电池反应，锂元素化合价升高发生氧化反应分析判断，Li_xC中锂元素化合价为0价，是锂单质镶嵌在碳中做原电池负极，由锂离子电池的总反方程式可知C+LiCoO₂→Li_xC+Li_1-xCoO₂为充电过程即为电解池，则锂硫电池给锂离子电池充电，LiCoO₂为阳极失电子发生氧化反应：LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂ +xLi⁺，C为阴极得电子发生还原反应：C+xe^-+xLi⁺=Li_xC，
故答案为：0；LiCoO₂-xe^-=Li_1-xCoO₂+xLi⁺．

点评 本题通过从某工业废料中回收钴的工艺流程考查了化学方程式、离子方程式书写，确各个阶段固体成分及先后分解生成物成分是解本题关键，题目难度中等．