Question

水钴矿中除SiO₂外，还有9.24% CoO、2.78% Fe₂O₃、0.96% MgO、0.084 % CaO。从中提取钴的主要工艺流程如下：

（1）在一定浓度的H₂SO₄溶液中，钴的浸出率随时间、温度的变化如图所示。考虑生产成本和效率，最佳的浸出时间为       小时，最佳的浸出温度为     ℃。

（2）请配平下列除铁的化学方程式：
Fe₂(SO₄)₃+   H₂O+   Na₂CO₃=   Na₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂↓+   Na₂SO₄+   CO₂↑
（3）“除钙、镁”的原理反应为：MgSO₄+2NaF=MgF₂↓+Na₂SO₄ ；CaSO₄+2NaF=CaF₂↓+Na₂SO₄
已知K_sp（CaF₂）=1.11×10^－10，K_sp（MgF₂）=7.40×10^－11，加入过量NaF溶液反应完全后过滤，则滤液中       。
（4）“沉淀”中含杂质离子主要有SO₄^2－、F^－、    和     ；“操作X”包括      和       。
（5）某锂离子电池正极是LiCoO₂，含Li⁺导电固体为电解质。充电时，Li^＋还原为Li，并以原子形式嵌入电池负极材料碳-6（C₆）中（如图所示）。电池反应为LiCoO₂+C₆ CoO₂+LiC₆，写出该电池放电时的正极反应式                          。

Answer 1

（16分）（1）12（2分），90（2分）
（2）3，6，6，1，5，6（2分）
3Fe₂(SO₄)₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆ (SO₄)₄(OH)₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑
（3）1.5（3分）
（4）NH₄^＋（1分）、Na^＋（1分）；洗涤（1分）、干燥（1分）
（5）CoO₂ + Li^＋ + e^－=LiCoO₂（3分）

解析试题分析：（1）读图可知，升高温度，钴的浸出率逐渐增大，因此60℃时生产效率太低，90℃时的生产效率与120℃时的生产效率相差不明显，但是120℃时生产成本远远大于90℃时生产成本；因此最佳浸出温度为90℃，而最佳浸出时间为12h；（2）观察可知，该反应不涉及氧化还原反应，可以用设1法配平；设Na₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂的系数为1，根据铁原子守恒可得Fe₂(SO₄)₃的系数为3；根据硫原子守恒可得Na₂SO₄的系数为5，根据钠原子守恒可得Na₂CO₃的系数为6，根据碳原子守恒可得CO₂的系数为6，根据氢原子守恒可得H₂O的系数为6，即3Fe₂(SO₄)₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆ (SO₄)₄(OH)₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑；（3）c(Ca²⁺)/c(Mg²⁺)=[c(Ca²⁺)?c²(F^－)]/[c(Mg²⁺)?c²(F^－)]= K_sp（CaF₂）/ K_sp（MgF₂）=(1.11×10^－10)/( 7.40×10^－11)=1.5；（4）沉淀中所含杂质离子来自可溶性盐电离，可溶性盐来自沉淀步骤之前发生的反应，即加入稀硫酸酸浸时引入的硫酸根离子，加入碳酸钠除铁时引入的钠离子，加入氟化钠除去钙、镁时引入的氟离子，加入草酸铵沉淀钴离子时引入的铵根离子；除去四水合草酸钴沉淀中混有的可溶性物质，常用洗涤、干燥等操作；（5）放电时电池总反应为CoO₂+LiC₆=LiCoO₂+C₆，钴元素由+4降为+3价，锂元素由合金中的0升为+1价，则负极反应式为Li—e^－=Li⁺，阳离子移向正极，则锂离子移向正极并参与正极上的反应，所以正极反应式为CoO₂+ e^－+ Li⁺= LiCoO₂。
考点：考查有关物质制备的化学工艺流程，涉及钴浸出率的温度和时间图像分析、配平化学方程式、溶度积的计算、关键流程所涉及的反应原理、混合物分离与提纯的操作、新型充电电池的正极反应式等。