Question

7．草酸钴是制作氧化钴和金属钴的原料．一种利用含钴废料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有机物等）制取草酸钴（CoC₂O₃）的工艺流程如图1：

已知：①浸出液中含有的阳离子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺等．
②部分阳离子一氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见表：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Co（OH）2	Al（OH）3	Mn（OH）2
完全沉淀时的pH	3.7	9.6	9.2	5.2	9.8

③K_ap（MgF₂）=7.35×10^-11，K_ap（CaF₂）=1.05×10^-10
回答下列问题：
（1）焙烧的目的是除去碳和有机物；浸钴过程中Co³⁺转化为Co²⁺，反应的离子方程式为2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺．
（2）加入H₂O₂的目的是将 Fe²⁺氧化为 Fe³⁺，加入Na₂CO₃溶液，调pH至5.2，滤渣Ⅰ主要成分为Al（OH）₃、Fe（OH）₃．
（3）加入过量NaF溶液，可将Ca²⁺、Mg²⁺除去，若所得滤液中c（Ca²⁺）=1.0×10^-3mol•L^-1，则滤液中c（Mg²⁺）为7.0×10^-4 mol•L^-1．
（4）萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系如图2所示．滤液Ⅱ中加入萃取剂的作用是除去Mn²⁺；萃取时，溶液的pH需要控制在一定范围内才比较适宜，其pH范围约为3.0～3.5．
（5）已知含钴废料中含Co₂O₃质量分数为a%，若取mg该含钴废料按照上述流程，理论上最多能制得CoC₂O₄的质量为$\frac{147ma%}{83}$ 或 1.77×10^-2mag（列出计算式即可）．

Answer 1

分析 含钴废料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有机物等），焙烧除去碳和有机物，水钴矿中加入盐酸和亚硫酸钠，可得CoCl₂、AlCl₃、FeCl₂、MgCl₂、CaCl₂、MnCl₂，加入过氧化氢可得到FeCl₃，然后加入Na₂CO₃调pH至5.2，可得到滤渣1为Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，过滤后所得滤液Ⅰ主要含有CoCl₂、MgCl₂、CaCl₂、MnCl₂，向溶液中加入NaF溶液，除去钙镁离子，然后过滤得到的滤液II中加入萃取剂，萃取后溶液加入草酸铵，得到草酸钴，
（1）一种利用含钴废料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有机物等），焙烧除去碳及有机物；浸钴过程中Co³⁺转化为Co²⁺，是亚硫酸钠被氧化生成硫酸钠；
（2）加入H₂O₂的目的是氧化亚铁离子生成铁离子，调节溶液PH除去铁离子和铝离子；
（3）由溶度积可知，滤液Ⅰ“除钙、镁”是将溶液中Ca²⁺与Mg²⁺转化为CaF₂、MgF₂沉淀，根据溶度积计算；
（4）根据流程图可知，此时溶液中存在Mn²⁺、Co²⁺金属离子，加入萃取剂的作用是除去Mn²⁺，由萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系可知，调节溶液PH在3.0～3.5之间，可使Mn²⁺完全沉淀；
（5）mg含钴废料中含Co₂O₃质量分数为a%，则钴元素的物质的量为$\frac{m×a%×2}{166}$mol，钴元素质量守恒计算得到．

解答 解：（1）一种利用含钴废料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有机物等），焙烧除去碳及有机物，亚硫酸钠具有还原性，能还原氧化性离子Co³⁺，反应为：2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺；
故答案为：除去碳和有机物； 2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺；
（2）过氧化氢的作用是：将浸出液中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加Na₂CO₃调PH=5.2能使Fe³⁺、Al³⁺ 离子转化成氢氧化物沉淀Al（OH）₃、Fe（OH）₃；
故答案为：将 Fe²⁺氧化为 Fe³⁺；Al（OH）₃、Fe（OH）₃；
（3）由溶度积可知，滤液Ⅰ“除钙、镁”是将溶液中Ca²⁺与Mg²⁺转化为CaF₂、MgF₂沉淀，根据溶度积计算，c（Mg²⁺）：c（Ca²⁺）=$\frac{Ksp（Mg{F}_{2}）}{Ksp（Ca{F}_{2}）}$=$\frac{7.35×1{0}^{-11}}{1.05×1{0}^{-10}}$=0.7，若所得滤液中c（Ca²⁺）=1.0×10^-3mol•L^-1，则滤液中c（Mg²⁺）=7.0×10^-4 mol•L^-1
故答案为：7.0×10^-6 mol•L^-1；
（4）根据流程图可知，此时溶液中存在Mn²⁺、Co²⁺金属离子，滤液Ⅱ中加入萃取剂的作用是除去Mn²⁺，由萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系可知，调节溶液PH在3.0～3.5之间，可使Mn²⁺完全沉淀，并防止Co²⁺转化为Co（OH）₂沉淀；
故答案为：除去Mn²⁺；3.0～3.5；
（5）mg含钴废料中含Co₂O₃质量分数为a%，则钴元素的物质的量为$\frac{m×a%×2}{166}$mol，钴元素质量守恒则，草酸钴（CoC₂O₄）的质量为$\frac{m×a%×2}{166}$mol×147g/mol=$\frac{147ma%}{83}$=1.77×10^-2ma；
故答案为：$\frac{147ma%}{83}$或 1.77×10^-2ma；

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，涉及溶度积常数计算、沉淀与pH的关系、盐类水解、氧化还原反应等知识点，明确实验原理是解本题关键，知道涉及的操作方法及发生的反应，难点是溶度积常数计算，题目难度中等．