【題目】電子級鈷的氧化物用于半導(dǎo)體工業(yè)和電子陶瓷等領(lǐng)域,是一種純度很高的氧化物。現(xiàn)從廢料(含Co3O4、Al、Si、Li2O、Fe2O3等物質(zhì))中提純電子級鈷的氧化物,其工業(yè)制取流程如下:

已知:

①物質(zhì)的溶解性:LiF難溶于水,Li2CO3微溶于水;②鈷元素常見的化合價(jià)為+ 2和+ 3;

③部分金屬離子形成氫氧化物沉淀的pH見下表。

Fe3+

Co2+

Co3+

Al3+

pH(開始沉淀)

1.9

7.15

-0.23

3.4

pH(完全沉淀)

3.2

9.15

1.09

4.7

(1)廢料在處理前要粉碎,其主要目的是(回答兩個(gè)方面)___________

步驟I得到的濾液A中的溶質(zhì)為___________(填化學(xué)式)。

(2)步驟II中有黃綠色氣體生成,有關(guān)含鈷化合物發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_________

(3)步驟III中Na2CO3溶液的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH,應(yīng)使溶液的pH的取值范圍為___________;濾渣B的主要成分為____________。

(4)步驟I、III、IV中均用到的分離提純方法為_______,在實(shí)驗(yàn)室中完成該操作用到的玻璃儀器是__。

(5)5.49gCoC2O4·2H2O(其相對分子質(zhì)量為183)經(jīng)過反復(fù)洗滌、干燥后,進(jìn)行灼燒,其熱重分析如下表。

溫度范圍/℃

固體質(zhì)量/g

150~210

4.41

290~320

2.25

400~500

2.41

290℃~320℃時(shí)若生成兩種氣體,則發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________,400℃~500℃所得固體的化學(xué)式為__________

【答案】 增加反應(yīng)物的接觸面積,加快化學(xué)反應(yīng)速率,提高原料利用率等 NaAlO2Na2SiO3 Co3O4+8H++2Cl=3Co2++Cl2↑+4H2O 3.2≤pH<7.15 LiF、Fe(OH)3 過濾 燒杯、漏斗、玻璃棒 CoC2O4CoO+CO↑+CO2 Co3O4

【解析】試題分析:本題電子級鈷的氧化物制備的工藝流程為載體考查學(xué)生用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力;考查點(diǎn)有影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素,離子方程式的書寫,化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作和化學(xué)計(jì)算,題目難度較大。

解答:分析題給化學(xué)工藝流程和信息知廢料中加入足量NaOH溶液浸取,發(fā)生反應(yīng):2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2+3H2↑、Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑,過濾,濾液A為偏鋁酸鈉和硅酸鈉的混合液,濾渣為鈷渣,向鈷渣中加濃鹽酸,發(fā)生反應(yīng):Fe2O3+6HCl==2FeCl3+3H2O、Co3O4+8H++2Cl=3Co2++Cl2↑+4H2O、Li2O+2HCl==2LiCl+H2O,浸出液為氯化鐵、二氯化鈷和氯化鋰的混合液,加入20%碳酸鈉溶液將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀、加入NaF溶液將Li+轉(zhuǎn)化為LiF沉淀,過濾,濾渣B為氫氧化鐵和氟化鋰的混合物;向?yàn)V液B中加入草酸銨生成草酸鈣晶體(沉淀),經(jīng)洗滌、干燥、灼燒得電子級鈷的氧化物。

1)廢料在處理前要粉碎,其主要目的是增加反應(yīng)物的接觸面積,加快化學(xué)反應(yīng)速率,提高原料利用率等;步驟I得到的濾液A中的溶質(zhì)為NaAlO2、Na2SiO3 。

2)根據(jù)題給信息知Co3O4與濃鹽酸反應(yīng)生成二氯化鈷、氯氣和水,利用化合價(jià)升降法結(jié)合原子守恒、電荷守恒配平,該反應(yīng)的離子方程式為Co3O4+8H++2Cl=3Co2++Cl2↑+4H2O 。

3)步驟IIINa2CO3溶液的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH,為保證Fe3+沉淀完全而Co2+不沉淀,結(jié)合表中數(shù)據(jù)分析應(yīng)使溶液的pH的取值范圍為3.2≤pH7.15;濾渣B的主要成分為LiF、Fe(OH)3 。

4)步驟I、III、IV為分離固體和液體混合物的操作,方法為過濾,在實(shí)驗(yàn)室中完成該操作用到的玻璃儀器是燒杯、漏斗和玻璃棒。

5)草酸鈣晶體物質(zhì)的量為n=5.49g÷183g/mol=0.03mol,加熱,失去結(jié)晶水的物質(zhì)的量為0.06mol,固體質(zhì)量變化為0.06mol×18g/mol=1.08g,圖表數(shù)據(jù)可知,150210固體質(zhì)量變化=5.49g-4.41g=1.08g,說明150~210失去結(jié)晶水得到CoC2O4,210290℃過程中是CoC2O4發(fā)生分解反應(yīng)生成兩種氣體,依據(jù)元素守恒知只能為COCO2,固體物質(zhì)中鈷的質(zhì)量為0.03mol×59g/mol=1.77g,氧元素的質(zhì)量為2.25g-1.77g=0.48g,物質(zhì)的量為0.48g÷16g/mol=0.03mol,CoO原子個(gè)數(shù)比為1:1,固體物質(zhì)的化學(xué)式為CoO,則發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為CoC2O4CoO+CO↑+CO2;400~500℃時(shí)2.41g固體中氧元素的質(zhì)量為2.41g-1.77g=0.64g,物質(zhì)的量為0.04mol,鈷、氧原子的物質(zhì)的量之比為3:4,化學(xué)式為Co3O4。

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