Question

1．鈷（Co）及其化合物在工業上有廣泛應用．為從某工業廢料中回收鈷，某學生設計流程如下（廢料中含有Al、Li、Co₂O₃和Fe₂O₃等物質）．

已知：①物質溶解性：LiF難溶于水，Li₂CO₃微溶于水；
②部分金屬離子形成氫氧化物沉淀的pH見下表．

	Fe3+	Co2+	Co3+	Al3+
pH（開始沉淀）	1.9	7.15	-0.23	3.4
pH（完全沉淀）	3.2	9.15	1.09	4.7

請回答：
（1）步驟Ⅰ中得到含鋁溶液的反應的離子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）寫出步驟Ⅱ中Co₂O₃與鹽酸反應生成Cl₂的離子方程式：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O．
（3）步驟Ⅲ中Na₂CO₃溶液的作用是調節溶液的pH，應使溶液的pH不超過7.15；廢渣中的主要成分除了LiF外，還有Fe（OH）₃．
（4）NaF與溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，此反應對步驟Ⅳ所起的作用是降低濾液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產生Li₂CO₃沉淀．
（5）在空氣中加熱5.49g草酸鈷晶體（CoC₂O₄•2H₂O）樣品，受熱過程中不同溫度范圍內分別得到一種固體物質，其質量如表．

溫度范圍/℃	固體質量/g
150～210	4.41
290～320	2.41
890～920	2.25

①加熱到210℃時，固體質量減輕的原因是失去結晶水．
②經測定，加熱到210～290℃過程中的生成物只有CO₂和鈷的氧化物，此過程發生反應的化學方程式為：3CoC₂O₄+2O₂Co₃O₄+6CO₂．[已知M（CoC₂O₄•2H₂O）=183g/mol]．

Answer 1

分析 該工藝流程為：廢料加入氫氧化鈉溶液堿浸，得到鈷渣，加入鹽酸溶解后發生氧化還原反應，氧化鈷氧化氯離子為氯氣，過濾得到酸溶的溶液加入碳酸鈉溶液和NaF溶液凈化，除去鋰離子和鐵離子，在濾液中加入碳酸鈉溶液沉淀鈷離子為碳酸鈷沉淀，加入鹽酸和草酸銨溶液得到草酸鈷晶體，高溫分解得到氧化鈷；
（1）步驟Ⅰ中鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉和氫氣；
（2）Co₂O₃與鹽酸反應生成Cl₂，依據得失電子守恒結合原子個數守恒寫成反應的離子方程式；
（3）依據表中數據分析判斷加入碳酸鈉調節溶液PH，沉淀鐵離子和鋰離子，但不能沉淀鈷離子；
（4）NaF與溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，防止鋰離子結合碳酸根離子形成碳酸鋰沉淀；
（5）①計算晶體物質的量n=$\frac{5.49g}{183g/mol}$=0.03mol，失去結晶水應為0.06mol，固體質量變化=0.06mol×18g/mol=1.08g，圖表數據可知，150℃～210℃固體質量變化=5.49g=4.41g=1.08g，說明210℃失去結晶水得到CoC₂O₄；
②210℃～290℃過程中是CoC₂O₄發生的反應，210℃～290℃過程中產生的氣體只有CO₂ ，依據元素守恒得到生成CO₂物質的量為0.06mol，質量=0.06mol×44g/mol=2.64g，氣體質量共計減小=4.41g-2.41g=2g，說明不是分解反應，參加反應的還有氧氣，則反應的氧氣質量=2.64g-2g=0.64g，O₂物質的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，依據原子守恒配平書寫反應的化學方程式．

解答 解：（1）步驟Ⅰ中鋁與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉和氫氣，反應的離子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）Co₂O₃與鹽酸反應生成Cl₂，反應中鈷元素化合價降低為+2價．氯元素化合價-1價變化為0價，依據得失電子守恒可知Co₂O₃的系數為1，Cl^-的系數為2，結合原子個數守恒，反應的離子方程式：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
故答案為：Co₂O₃+6H⁺+2Cl^-=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O；
（3）依據表中數據分析判斷加入碳酸鈉調節溶液PH，沉淀鐵離子和鋰離子，但不能沉淀鈷離子，步驟Ⅲ中Na₂CO₃溶液的作用是調節溶液的pH，應使溶液的pH不超過7.15，廢渣中的主要成分除了LiF外還有Fe（OH）₃；
故答案為：7.15；Fe（OH）₃；
（4）NaF與溶液中的Li⁺形成LiF沉淀，此反應對步驟Ⅳ所起的作用是，降低溶液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產生Li₂CO₃沉淀；
故答案為：降低溶液中Li⁺濃度，避免步驟Ⅳ中產生Li₂CO₃沉淀；
（5））①計算晶體物質的量n=$\frac{5.49g}{183g/mol}$=0.03mol，失去結晶水應為0.06mol，固體質量變化=0.06mol×18g/mol=1.08g，圖表數據可知，150℃～210℃固體質量變化=5.49g=4.41g=1.08g，說明210℃失去結晶水得到CoC₂O₄；
故答案為：失去結晶水；
②210℃～290℃過程中是CoC₂O₄發生的反應，產生的氣體只有CO₂ ，依據元素守恒得到生成CO₂物質的量為0.06mol，質量=0.06mol×44g/mol=2.64g，氣體質量共計減小=4.41g-2.41g=2g，說明說明有氣體參加反應應為氧氣，則反應的氧氣質量=2.64g-2g=0.64g，O₂物質的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol，則：
n（CoC₂O₄）：n（O₂）：n（CO₂）=0.03：0.02：0.06=3：2：6，
方程式計量系數之比等于轉化量之比，所以該反應的方程式為：3CoC₂O₄+2O₂Co₃O₄+6CO₂；
故答案為：3CoC₂O₄+2O₂Co₃O₄+6CO₂；

點評 本題通過從某工業廢料中回收鈷的工藝流程考查了化學方程式、離子方程式書寫，確各個階段固體成分及先后分解生成物成分是解本題關鍵，題目難度中等．