Question

13．新的手机将更青睐于高密度的钴锂电池，钴的冶炼工艺流程之一如图所示．粗钴矿粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺．

（1）步骤①所得滤渣为SiO₂（填化学式），用酸溶解粗钴矿粉时，还需加入Na₂SO₃的原因是2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-（用一个化学方程式表示）．
（2）步骤②加入FeS是为了除去Cu²⁺，除去Cu²⁺离子方程式为FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺，步骤④所发生反应的离子方程式是Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓．
（3）步骤③加入A试剂从环保的角度考虑应是H₂O₂，调pH的目的是沉淀铁离子．
（4）检验滤液B中的阳离子（能用作化肥）的方法是取滤液少许加入试管中，加入氢氧化钠溶液加热，用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，若变蓝色证明生成了氨气，原滤液中含有NH₄⁺．
（5）若粗钴矿粉样品的质量为20.00g，假设整个过程钴元素未损失，最后用H₂还原时转移的电子数为0.1mol，则样品中钴的质量分数为14.75%．

Answer 1

分析 粗钴矿粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．粗钴矿粉中加入硫酸溶解生成Co₂（SO₄）₃、硫酸铜、硫酸铁、硫酸钙、硫酸镁，再加入亚硫酸钠溶液，可以还原三价钴离子、铁离子为二价钴离子和亚铁离子，过滤得到滤渣为二氧化硅，浸出液中加入FeS实现程度转化完全沉淀铜离子生成CuS沉淀，已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺，过滤得到滤液中加入氧化剂过氧化氢或氯气氧化亚铁离子为铁离子，调节溶液PH=3.5铁离子全部沉淀，过滤得到滤液中加入NaF溶液沉淀镁离子和钙离子，过滤得到滤液中加入碳酸铵溶液沉淀二价钴离子生成CoCO₃沉淀，滤液中主要是铵盐溶液，滤渣为CoCO₃沉淀，煅烧得到CoO，用氢气还原得到金属钴；
（1）步骤①所得滤渣为二氧化硅，还需加入Na₂SO₃的原因是还原三价钴离子，铁离子；
（2）步骤②加入FeS是为了除去Cu²⁺，发生沉淀转化生成CuS沉淀，步骤④所发生反应是氟离子沉淀钙离子和镁离子生成沉淀除去；
（3）步骤③加入A试剂从环保的角度考虑应是过氧化氢，调pH的目的是沉淀铁离子；
（4）滤液B中的阳离子为铵根离子，依据铵根离子和氢氧根离子反应生成氨气，利用湿润的红色石蕊试纸检验氨气的存在设计实验；
（5）依据反应中H₂+CoO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co+H₂O，氧化还原反应电子转移总数和反应定量关系计算钴元素质量，得到样品中钴的质量分数．

解答 解：由流程可知，粗钴矿粉主要含Co₂O₃、CuO、Fe₂O₃、CaO、MgO、SiO₂等，其中Co₂O₃不能完全溶于硫酸，而CoO溶于硫酸．粗钴矿粉中加入硫酸溶解生成Co₂（SO₄）₃、硫酸铜、硫酸铁、硫酸钙、硫酸镁，再加入亚硫酸钠溶液，可以还原三价钴离子、铁离子为二价钴离子和亚铁离子，过滤得到滤渣为二氧化硅，浸出液中加入FeS实现程度转化完全沉淀铜离子生成CuS沉淀，已知：H₂O₂、Cl₂均不能氧化Co²⁺，过滤得到滤液中加入氧化剂过氧化氢或氯气氧化亚铁离子为铁离子，调节溶液PH=3.5铁离子全部沉淀，过滤得到滤液中加入NaF溶液沉淀镁离子和钙离子，过滤得到滤液中加入碳酸铵溶液沉淀二价钴离子生成CoCO₃沉淀，滤液中主要是铵盐溶液，滤渣为CoCO₃沉淀，煅烧得到CoO，用氢气还原得到金属钴；
（1）步骤①所得滤渣为二氧化硅，化学式为SiO₂，还需加入Na₂SO₃的原因是还原三价钴离子，铁离子，还原三价钴离子反应的离子方程式为：2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-；
故答案为：SiO₂；2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+2H⁺+SO₄^2-；
（2）步骤②加入FeS是为了除去Cu²⁺，发生沉淀转化生成CuS沉淀，反应的离子方程式为：FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺；步骤④所发生反应是氟离子沉淀钙离子和镁离子生成沉淀除去，反应的离子方程式为：Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓；
故答案为：FeS+Cu²⁺=CuS+Fe²⁺；Ca²⁺+2F^-=CaF₂↓、Mg₂⁺+2F^-=MgF₂↓；
（3）步骤③加入A试剂从环保的角度考虑应是过氧化氢，过氧化氢做氧化剂被还原生成水，无其他杂质引入，调pH的目的是沉淀铁离子；
故答案为：H₂O₂；沉淀铁离子；
（4）滤液B中的阳离子为铵根离子，依据铵根离子和氢氧根离子反应生成氨气，利用湿润的红色石蕊试纸检验氨气的存在设计实验，具体步骤和现象为：取滤液少许加入试管中，加入氢氧化钠溶液加热，用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，若变蓝色证明生成了氨气，原滤液中含有NH₄⁺；
故答案为：取滤液少许加入试管中，加入氢氧化钠溶液加热，用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，若变蓝色证明生成了氨气，原滤液中含有NH₄⁺；
（5）H₂+CoO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Co+H₂O，反应中电子转移总数为2e-，转移2mol电子生成Co为1mol，则最后用H₂还原时转移的电子数为0.1mol，生成Co物质的量为0.05mol，整个过程钴元素未损失，得到样品中钴的质量分数=$\frac{0.05mol×59g/mol}{20.00g}$×100%=14.75%，
故答案为：14.75%．

点评 本题考查了物质制备的工业流程分析判断，试剂选择的原则和方法，除杂的步骤分析应用，主要是题干信息理解和物质性质的应用判断，掌握基础是关键，题目难度中等．