Question

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

①

FeOOH晶种

②

FeOOH

③

Fe₂O₃

④

Fe₃O₄

CoSO4溶液

④

Co_xFe_3-xO₄
（1）步骤①是在FeSO₄溶液中加入NaOH溶液，在40℃下搅拌生成FeOOH晶种．生成晶种的化学方程式为

 

；
（2）步骤②将晶种移到放有FeSO₄溶液和铁皮的生长槽中，升温到60℃，吹入空气，待晶种长大到一定尺寸后，过滤、水洗、干燥，得FeOOH粉末．生长槽中放入铁皮的目的是

 

，吹入空气的作用为

 

．
（3）步骤③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

 

（填字母）．
a．蒸发皿　　b．烧杯　　c．坩埚　　d．泥三角　　e．酒精灯
（4）步骤④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

 

．
（5）步骤⑤加入CoSO₄溶液，所得粗产品经过滤、洗涤、干燥即得成品．检验粗产品洗涤干净的实验操作和现象是

 

．
（6）某研究小组欲用锂离子电池正极废料（含LiCoO₂、铝箔、铁的氧化物）制备CoSO₄?7H₂O晶体．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

 

．
③向所得粗品CoSO₄溶液中加入NaOH溶液，调节pH约为5，过滤．
④

 

．
⑤将Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸发浓缩、降温结晶，得到CoSO₄?7H₂O晶体．

Answer 1

考点：制备实验方案的设计

专题：实验设计题

分析：（1）该反应的反应物为FeSO₄、NaOH和O₂，产物为FeOOH；
（2）在此条件下反应生成酸，会对导致晶种溶解，铁反应消耗掉生成的硫酸，同时补充原料FeSO₄；溶液中铁为+2价，通入氧气为氧化剂，使其被氧化为+3铁；
（3）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；
（4）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；
（5）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；
（6）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；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．

解答： 解：（1）该反应的反应物为FeSO₄、NaOH和O₂，产物为FeOOH，反应的方程式为4FeSO₄+8NaOH+O₂

40℃  .

4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；故答案为：4FeSO₄+8NaOH+O₂

40℃  .

4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；
（2）在此条件下反应生成酸，会对导致晶种溶解，铁反应消耗掉生成的硫酸，同时补充原料FeSO₄；溶液中铁为+2价，通入氧气为氧化剂，使其被氧化为+3铁；故答案为：消耗硫酸，生成FeSO₄；氧化FeSO₄生成FeOOH，使晶种生长；
（3）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；故答案为：cde；
（4）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；故答案为：除去空气，防止氢气与氧气混合反应爆炸；
（5）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；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；
（6）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；
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．

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，难度较大，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，注意基础知识的理解掌握