Question

7．草酸鈷是制作氧化鈷和金屬鈷的原料．一種利用含鈷廢料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有機物等）制取草酸鈷（CoC₂O₃）的工藝流程如圖1：

已知：①浸出液中含有的陽離子主要有H⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺等．
②部分陽離子一氫氧化物形式沉淀時溶液的pH見表：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Co（OH）2	Al（OH）3	Mn（OH）2
完全沉淀時的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
回答下列問題：
（1）焙燒的目的是除去碳和有機物；浸鈷過程中Co³⁺轉化為Co²⁺，反應的離子方程式為2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺．
（2）加入H₂O₂的目的是將 Fe²⁺氧化為 Fe³⁺，加入Na₂CO₃溶液，調pH至5.2，濾渣Ⅰ主要成分為Al（OH）₃、Fe（OH）₃．
（3）加入過量NaF溶液，可將Ca²⁺、Mg²⁺除去，若所得濾液中c（Ca²⁺）=1.0×10^-3mol•L^-1，則濾液中c（Mg²⁺）為7.0×10^-4 mol•L^-1．
（4）萃取劑對金屬離子的萃取率與pH的關系如圖2所示．濾液Ⅱ中加入萃取劑的作用是除去Mn²⁺；萃取時，溶液的pH需要控制在一定范圍內才比較適宜，其pH范圍約為3.0～3.5．
（5）已知含鈷廢料中含Co₂O₃質量分數為a%，若取mg該含鈷廢料按照上述流程，理論上最多能制得CoC₂O₄的質量為$\frac{147ma%}{83}$ 或 1.77×10^-2mag（列出計算式即可）．

Answer 1

分析 含鈷廢料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有機物等），焙燒除去碳和有機物，水鈷礦中加入鹽酸和亞硫酸鈉，可得CoCl₂、AlCl₃、FeCl₂、MgCl₂、CaCl₂、MnCl₂，加入過氧化氫可得到FeCl₃，然后加入Na₂CO₃調pH至5.2，可得到濾渣1為Fe（OH）₃、Al（OH）₃沉淀，過濾后所得濾液Ⅰ主要含有CoCl₂、MgCl₂、CaCl₂、MnCl₂，向溶液中加入NaF溶液，除去鈣鎂離子，然后過濾得到的濾液II中加入萃取劑，萃取后溶液加入草酸銨，得到草酸鈷，
（1）一種利用含鈷廢料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有機物等），焙燒除去碳及有機物；浸鈷過程中Co³⁺轉化為Co²⁺，是亞硫酸鈉被氧化生成硫酸鈉；
（2）加入H₂O₂的目的是氧化亞鐵離子生成鐵離子，調節(jié)溶液PH除去鐵離子和鋁離子；
（3）由溶度積可知，濾液Ⅰ“除鈣、鎂”是將溶液中Ca²⁺與Mg²⁺轉化為CaF₂、MgF₂沉淀，根據溶度積計算；
（4）根據流程圖可知，此時溶液中存在Mn²⁺、Co²⁺金屬離子，加入萃取劑的作用是除去Mn²⁺，由萃取劑對金屬離子的萃取率與pH的關系可知，調節(jié)溶液PH在3.0～3.5之間，可使Mn²⁺完全沉淀；
（5）mg含鈷廢料中含Co₂O₃質量分數為a%，則鈷元素的物質的量為$\frac{m×a%×2}{166}$mol，鈷元素質量守恒計算得到．

解答 解：（1）一種利用含鈷廢料（主要成分Co₂O₃），含少量Fe₂O₃、MnO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、碳及有機物等），焙燒除去碳及有機物，亞硫酸鈉具有還原性，能還原氧化性離子Co³⁺，反應為：2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺；
故答案為：除去碳和有機物； 2Co³⁺+SO₃^2-+H₂O=2Co²⁺+SO₄^2-+2H⁺；
（2）過氧化氫的作用是：將浸出液中Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加Na₂CO₃調PH=5.2能使Fe³⁺、Al³⁺ 離子轉化成氫氧化物沉淀Al（OH）₃、Fe（OH）₃；
故答案為：將 Fe²⁺氧化為 Fe³⁺；Al（OH）₃、Fe（OH）₃；
（3）由溶度積可知，濾液Ⅰ“除鈣、鎂”是將溶液中Ca²⁺與Mg²⁺轉化為CaF₂、MgF₂沉淀，根據溶度積計算，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，若所得濾液中c（Ca²⁺）=1.0×10^-3mol•L^-1，則濾液中c（Mg²⁺）=7.0×10^-4 mol•L^-1
故答案為：7.0×10^-6 mol•L^-1；
（4）根據流程圖可知，此時溶液中存在Mn²⁺、Co²⁺金屬離子，濾液Ⅱ中加入萃取劑的作用是除去Mn²⁺，由萃取劑對金屬離子的萃取率與pH的關系可知，調節(jié)溶液PH在3.0～3.5之間，可使Mn²⁺完全沉淀，并防止Co²⁺轉化為Co（OH）₂沉淀；
故答案為：除去Mn²⁺；3.0～3.5；
（5）mg含鈷廢料中含Co₂O₃質量分數為a%，則鈷元素的物質的量為$\frac{m×a%×2}{166}$mol，鈷元素質量守恒則，草酸鈷（CoC₂O₄）的質量為$\frac{m×a%×2}{166}$mol×147g/mol=$\frac{147ma%}{83}$=1.77×10^-2ma；
故答案為：$\frac{147ma%}{83}$或 1.77×10^-2ma；

點評 本題考查物質分離和提純，為高頻考點，涉及溶度積常數計算、沉淀與pH的關系、鹽類水解、氧化還原反應等知識點，明確實驗原理是解本題關鍵，知道涉及的操作方法及發(fā)生的反應，難點是溶度積常數計算，題目難度中等．