Question

12．为测定碱式碳酸钴[CO_x（OH）_y（CO₃）_z]的化学组成，研究性学习小组的同学设计了如图所示的装置进行实验探究．已知：碱式碳酸钴受热时可分解生成三种氧化物．

（1）按如图所示装置组装好仪器，并检查装置气密性；称取3.65g样品置于硬质玻璃管内，加热，当乙装置中不再有气泡产生时（填实验现象），停止加热；打开活塞a，缓缓通入空气数分钟，通入空气的目的是将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中．
（2）某同学认为上述实验中存在一个缺陷，该缺陷是未考虑空气中的水蒸气和二氧化碳对实验的影响．
（3）通过正确实验测得乙、丙装置增重分别为0.36g、0.88g，则该碱式碳酸钴的化学式为Co₃（OH）₄（CO₃）₂．
（4）CoCl₂•6H₂O常用作多彩水泥的添加剂．以含钴废料（含少量Fe、Al等杂质）制取COCl₂•6H₂O的一种工艺如下：

已知；25℃时

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Co（OH）2	Al（OH）3
开始沉淀（pH）	2.3	7.5	7.6	3.4
完全沉淀（pH）	4.1	9.7	9.2	5.2

①净化除杂时，加入H₂O₂发生反应的离子方程式为2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
②加入CoCO₃调pH为5.2～7.6，则操作I获得的滤渣成分为Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
③加盐酸调整pH为2～3的目的为抑制CoCl₂的水解；
④操作Ⅱ过程为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤．

Answer 1

分析 （1）按如图所示装置组装好仪器，应首先检验装置的气密性，加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生，即碱式碳酸钴分解完毕，步骤中缓缓通入空气数分钟，将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中，以免影响测量结果；
（2）空气中的水蒸气和二氧化碳被乙丙装置吸收产生误差，在活塞a前，加装装置干燥管，装置中盛放的碱石灰用来吸收空气中的水蒸气和二氧化碳；
（3）碱式碳酸钴样品3.65g，故生成水的质量为0.36g，物质的量为 $\frac{0.36g}{18g/mol}$=0.02mol，生成二氧化碳的质量为0.88g，物质的量为 $\frac{0.88g}{44g/mol}$=0.02mol，故氧化钴的质量为3.65g-0.36g-0.88g=2.41g，物质的量为 $\frac{2.41g}{75g/mol}$=0.03mol，根据Co、H、C元素守恒计算xyz的比值得到化学式；
（4）含钴废料（含少量Fe、Al等杂质）制取C_oCl₂•6H₂O，加入过量盐酸酸浸加热，加入过氧化氢氧化亚铁离子为铁离子，加入碳酸钙调节溶液PH使铁离子、铝离子全部沉淀，过滤得到滤液中加入盐酸防止氯化钴水解，通过蒸发浓缩，冷却结晶过滤洗涤干燥等操作得到C_oCl₂•6H₂O；
①三价铁离子易转化为沉淀，所以要把二价铁离子氧化为三价铁离子；
②调节溶液的pH值，使溶液中铁离子和铝离子生成沉淀，而钴离子存在溶液中，从而将铁离子、铝离子和钴离子分开；
③加盐酸调整pH为2～3的目的是抑制氯化钴的水解．

解答 解：（1）按如图所示装置组装好仪器，应首先检验装置的气密性，加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生，即碱式碳酸钴分解完毕，步骤中缓缓通入空气数分钟，将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中，以免影响测量结果，
故答案为：检验装置的气密性，不再有气泡产生，将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中；
（2）空气中的水蒸气和二氧化碳被乙丙装置吸收产生误差，在活塞a前，加装装置干燥管，装置中盛放的碱石灰用来吸收空气中的水蒸气和二氧化碳；
故答案为：未考虑空气中的水蒸气和二氧化碳对实验的影响；
（3）碱式碳酸钴样品3.65g，故生成水的质量为0.36g，物质的量为 $\frac{0.36g}{18g/mol}$=0.02mol，生成二氧化碳的质量为0.88g，物质的量为 $\frac{0.88g}{44g/mol}$=0.02mol，故氧化钴的质量为3.65g-0.36g-0.88g=2.41g，物质的量为 $\frac{2.41g}{75g/mol}$=0.03mol，根据Co、H、C元素守恒可知，x：y：z=0.03mol：0.02mol×2：0.02mol=3：4：2，故碱式碳酸钴的化学式为Co₃（OH）₄（CO₃）₂，故答案为：Co₃（OH）₄（CO₃）₂；
（4）①三价铁离子易转化为沉淀，所以要加入氧化剂过氧化氢把二价铁离子氧化为三价铁离子，而不会引入新的杂质，反应的离子方程式为；2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
②废料加入盐酸后生成氯化物，然后加入双氧水，二价铁离子被双氧水氧化生成三价铁离子，根据沉淀的pH值表格知，当溶液的pH值为5.2时，铁离子和铝离子被完全沉淀，当溶液的pH值为7.6时，钴离子才开始产生沉淀，所以要想将铁离子、铝离子和钴离子分离，溶液的pH值应该不小于5.2不大于7.6，则操作I获得的滤渣成分为Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
故答案为：Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
③加盐酸调整pH为2～3的目的为抑制CoCl₂的水解，故答案为：抑制CoCl₂的水解．

点评 本题考查学生对实验原理理解、方案设计的评价、实验装置的理解、物质组成的测定等，难度中等，理解实验原理是解题的关键，是对知识的综合运用，需要学生具有扎实的基础与综合运用分析解决问题的能力．