Question

12．Co_xFe_3-xO₄磁粉是一種比較好的高矯頑力磁粉．工業(yè)上以FeSO₄為原料制備Co_xFe_3-xO₄的主要步驟如下：
FeSO₄$\underset{\stackrel{\;}{→}}{①}$FeOOH$\underset{\stackrel{\;}{→}}{②}$Fe₂O₃$\underset{\stackrel{\;}{→}}{③}$Fe₃O₄$\underset{\stackrel{CuS{O}_{4}溶液④}{→}}{\;}$Co_xFe_3-xO₄
回答下列問題：
（1）步驟①是在FeSO₄溶液中加入NaOH溶液，在40℃下攪拌生成FeOOH．生成FeOOH的化學(xué)方程式為4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O．
（2）步驟②將FeOOH在200～300℃下加熱脫水，生成紅色Fe₂O₃．實驗室完成該操作需要下列儀器中的cde（填字母）．
a．蒸發(fā)皿　　b．燒杯　　c．坩堝　　d．泥三角　　e．酒精燈
（3）步驟③通入H₂，加熱至300～400℃，生成Fe₃O₄．通入H₂前要向加熱爐中通入N₂，其作用為除去空氣，防止氫氣與氧氣混合反應(yīng)爆炸．
（4）步驟④加入CoSO₄溶液，所得粗產(chǎn)品經(jīng)過濾、洗滌、干燥即得成品．檢驗粗產(chǎn)品是否洗滌干凈的實驗操作和現(xiàn)象是取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈；后發(fā)現(xiàn)濾液渾濁，請寫出原因（一點即可）玻璃棒抵住濾紙時濾紙破裂、原液液面高于濾紙邊緣．
（5）某研究小組欲用鋰離子電池正極廢料（含LiCoO₂、鋁箔、鐵的+2價和+3價的氧化物）制備CoSO₄•7H₂O晶體．已知在酸性條件下不穩(wěn)定極易變成兩價鈷離子，下表列出了相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH（開始沉淀的pH按金屬離子濃度為1.0mol•L^-1計算）

金屬離子	開始沉淀的pH	沉淀完全的pH
Fe3+	1.1	3.2
Fe2+	5.8	8.8
Co2+	6.9	9.4

請完成下列實驗步驟（可選用的試劑：H₂O₂、稀硝酸、稀硫酸、NaOH溶液）：
①用N-甲基吡咯烷酮在120℃下浸洗正極廢料，使LiCoO₂與鋁箔分離，得到LiCoO₂粗品并回收鋁．
②用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入過量H₂O₂．
③向所得粗品CoSO₄溶液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH約為5，過濾．
④向③所得濾液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH至9.4，過濾，洗滌得到Co（OH）₂沉淀．
⑤將Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶（填實驗步驟），得到CoSO₄•7H₂O晶體．若欲再提純，可以通過重結(jié)晶（填實驗步驟）．

Answer 1

分析 （1）由題目信息，二價Fe被氧化為三價Fe，可知該反應(yīng)的反應(yīng)物為FeSO₄、NaOH和O₂，產(chǎn)物為FeOOH，同時生成Na₂SO₄，書寫配平方程式；
（2）加熱固體用坩堝，與其配套的有泥三角、三腳架、坩堝鉗、酒精燈等；
（3）氫氣易燃，在有氧氣存在下加熱會發(fā)生爆炸，故先用氮氣排盡空氣；
（4）取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，檢驗是否含有硫酸根離子；根據(jù)過濾的注意事項分析濾液渾濁的可能原因；
（5）第①分離出LiCoO₂粗品，第②應(yīng)用硫酸溶解粗品，用雙氧化水把生成的雜質(zhì)亞鐵離子氧化為鐵離子，可以用雙氧化水；第③沉淀除去鐵離子，得到純凈的溶液，第④應(yīng)得到Co（OH）₂沉淀，應(yīng)加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH≥9.4，使鈷沉淀完全，第⑤將Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、洗滌、干燥得到純凈物，對雜質(zhì)溶解非常大或者非常小的可用重結(jié)晶進行提純．

解答 解：（1）由題目信息，二價Fe被氧化為三價Fe，可知該反應(yīng)的反應(yīng)物為FeSO₄、NaOH和O₂，產(chǎn)物為FeOOH，同時生成Na₂SO₄，配平書寫方程式為：4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O，
故答案為：4FeSO₄+8NaOH+O₂$\frac{\underline{\;40℃\;}}{\;}$4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；
（2）加熱固體用坩堝，與其配套的有泥三角、三腳架、坩堝鉗、酒精燈等，
故選：cde；
（3）氫氣易燃，在有氧氣存在下加熱會發(fā)生爆炸，故先用氮氣排盡空氣，防止氫氣與氧氣混合反應(yīng)爆炸，
故答案為：排盡裝置中的空氣，防止氫氣與氧氣混合反應(yīng)爆炸；
（4）產(chǎn)品洗滌不干凈，會附著硫酸鹽，檢驗洗滌濾出液中是否含有硫酸根離子判斷是否洗滌干凈，檢驗粗產(chǎn)品洗滌干凈的實驗操作和現(xiàn)象是：取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈．過濾后濾液仍然渾濁，可能的原因是：濾紙破損、液面高于濾紙邊緣，液體從漏斗和濾紙間的縫隙流下，還可能是承接濾液的燒杯不干凈，
故答案為：取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈； 玻璃棒抵住濾紙時濾紙破裂、原液液面高于濾紙邊緣（合理即可）；
（5）②：第①分離出LiCoO₂粗品，第③得CoSO₄溶液，并沉淀除去鐵離子，故第②應(yīng)用硫酸溶解粗品，且需把生成的雜質(zhì)亞鐵離子氧化為鐵離子，可以用雙氧化水；
故答案為：用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入過量H₂O₂；
④：第③得到純凈的溶液，第④應(yīng)得到Co（OH）₂沉淀，應(yīng)加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH≥9.4，使鈷沉淀完全，并洗滌、干燥得到純凈物；
故答案為：向③所得濾液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH至9.4，過濾，洗滌得到Co（OH）₂沉淀．
⑤：制CoSO₄•7H₂O晶體包含的主要實驗操作步驟是：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥，若欲再提純，因雜質(zhì)含量小，可以通過重結(jié)晶再提純，
故答案為：冷卻結(jié)晶； 重結(jié)晶．

點評 本題考查Co_xFe_3-xO₄的制備，涉及沉淀的生成、化學(xué)實驗等，需要學(xué)生具有扎實的基礎(chǔ)與運用知識分析解決問題的能力，題目難度中等．