Question

【題目】通常電動汽車使用的是鋰電池，制備鋰電池正極材料的主要原料為四氧化三鈷，工業上用CoCl2·6H2O制備四氧化三鈷。以水鈷礦(主要成分為Co2O3、CoO、CuO、Fe2O3和SiO2等)為原料制備CoCl2·6H2O的工藝流程如圖所示：

回答下列問題：

(1)“酸浸”

①寫出濾渣A主要成分的一種用途________。鈷的浸出率隨酸浸時間、溫度的變化關系如圖所示。綜合考慮，應選擇的最佳工藝條件為________。

②Co2O3與濃硫酸反應除生成CoSO4和H2O外，還生成的一種物質是________。

(2)“凈化除雜”過程包括除鐵、除銅等步驟。

①除鐵：加入適量Na2SO4固體，析出淡黃色晶體黃鈉鐵礬Na2Fe6(SO4)4(OH)12，寫出反應的離子方程式____________________________________。

②除銅：加入適量Na2S2O3，發生反應2Cu2+＋2S2O32-＋2H2O=Cu2S↓＋S↓＋4H+＋2SO42-，其中氧化產物為___________。

(3)“萃取和反萃取”

①試劑X的名稱為_____________。

②實驗室稱取100 g原料(含鈷11.80%)，反萃取時得到濃度為0.036 mol·L－1的CoCl2溶液5 L，忽略損耗，鈷的產率＝_____________。

(4)以CoCl2·6H2O與NH4HCO3為原料，經兩步經典反應合成四氧化三鈷，第一步在80℃條件下二者生成Co2(OH)2CO3；第二步在600~820℃下Co2(OH)2CO3在空氣中轉化生成四氧化三鈷，寫出第二步反應的化學方程式_______________。

Answer 1

【答案】制光導纖維或石英玻璃等 12h，90℃ O2 2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+ SO42- 稀鹽酸 90% 3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2↑+3H2O

【解析】

縱覽整個流程可知，水鈷礦(主要成分為Co2O3、CoO、CuO、Fe2O3和SiO2等)經濃硫酸酸浸后，SiO2不溶，過濾后除去，得到的濾液經過除鐵、除銅等步驟后，再經過萃取，有機相中含有Co2+的有機溶液，加入稀鹽酸反萃取，得到CoCl2水溶液D，結晶后得到CoCl2·6H2O，以此分析解答。

(1)①水鈷礦主要成分除SiO2在酸浸過程中不能溶解，所以濾渣A的主要成分為SiO2，其用途有制光導纖維或石英玻璃等；結合題給圖像和鈷的浸出率來看，綜合考慮成本，應選擇的最佳工藝條件為12h，90℃；

②Co2O3與濃硫酸反應除生成CoSO4，可知Co2O3作氧化劑，而H2SO4中的H、S都處于最高價，故Co2O3只能氧化H2SO4中的O元素生成O2。

因此，本題正確答案為：制光導纖維或石英玻璃等；12h，90℃ ；O2；

(2)①加入適量Na2SO4固體，析出淡黃色晶體黃鈉鐵礬Na2Fe6(SO4)4(OH)12，根據原子守恒可寫出反應的離子方程式為2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+；

②加入適量Na2S2O3，發生反應2Cu2+＋2S2O32-＋2H2O=Cu2S↓＋S↓＋4H+＋2SO42-，Na2S2O3中硫元素的化合價是+2，化合價降低的是銅從+2價降到-1價，Na2S2O3中有一部分S化合價從+2價降到-2價或0價，有一部分從+2升高到+6價（生成H2SO4），所以氧化產物為SO42-。

因此，本題正確答案為：2Na+＋6Fe3+＋4SO42－＋12H2O═Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H+ ；SO42-；

(3)①反萃取試劑X要能提供Cl-，應選稀鹽酸。

②實驗室稱取100 g原料(含鈷11.80%)，反萃取時得到濃度為0.036 mol·L－1的CoCl2溶液5 L，忽略損耗，鈷的產率＝×100%=90%。

因此，本題正確答案為：稀鹽酸 ；90%；

(4)在600~820℃下Co2(OH)2CO3在空氣中轉化生成四氧化三鈷，O2作氧化劑，Co3O4為氧化產物，同時生成CO2，根據得失電子守恒，寫出反應的化學方程式為3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2+3H2O。

因此，本題正確答案為：3Co2(OH)2CO3+O22Co3O4+3CO2+3H2O。