Question

5．碱式碳酸钴[Co_x（OH）_y（CO₃）_z]常用作电子材料、磁性材料的添加剂，受热时可分解生成三种氧化物．为了确定其组成，某化学兴趣小组同学设计了如图1所示的装置进行实验．

（1）请完成下列实验步骤：
①称取3.65g样品置于硬质玻璃管内，称量乙、丙装置的质量；
②按如图所示装置组装好仪器，并检验装置气密性；
③加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生（填实验现象），停止加热；
④打开活塞a，缓缓通入空气数分钟后，称量乙、丙装置的质量；
⑤计算．
（2）步骤④中缓缓通人空气数分钟的目的是将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中．
（3）某同学认为上述实验装置中存在一个明显缺陷，为解决这一问题，可选用图2装置中的D（填字母）连接在活塞a前（或装置甲前）（填装置连接位置）．
（4）若按正确装置进行实验，测得如下数据．

	乙装置的质量/g	丙装置的质量/g
加热前	80.00	62.00
加热后	80.36	62.88

则该碱式碳酸钴的化学式为Co₃（OH）₄（CO₃）₂．
（5）CoCl₂•6H₂O常用作多彩水泥的添加剂．以含钴废料（含少量Fe、Al等杂质）制取CoCl₂•6H₂O的一种工艺如图3：
已知：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Co（OH）2	Al（OH）3
开始沉淀（pH）	2.3	7.5	7.6	3.4
完全沉淀（pH）	4.1	9.7	9.2	5.2

①净化除杂时，加入　H₂O₂发生反应的离子方程式为2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
②加入CoCO₃　调pH为5.2～7.6，则操作1获得的滤渣成分为Fe（OH）₃和Al（OH）₃．
③加盐酸调整pH为2～3的目的为抑制CoCl₂的水解．
④操作Ⅱ过程为蒸发浓缩、冷却结晶（填操作名称）、过滤．

Answer 1

分析 （1）③加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生，即碱式碳酸钴分解完毕；
（2）步骤④中缓缓通入空气数分钟，将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中，以免影响测量结果；
（3）在活塞a前，加装装置D，装置中盛放的碱石灰容易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳；
（4）碱式碳酸钴样品3.65g，反应前乙装置的质量为80.00g，反应后质量为80.36g，故生成水的质量为80.36g-80.00g=0.36g，物质的量为 $\frac{0.36g}{18g/mol}$=0.02mol；反应前丙装置的质量为62.00g，反应后质量为62.88g，生成二氧化碳的质量为62.88g-62.00g=0.88g，物质的量为$\frac{0.88g}{44g/mol}$=0.02mol，故Co的质量为3.65g-0.02mol×2×17g/mol-0.02mol×60g/mol=1.77g，故Co原子物质的量为：$\frac{1.77g}{59g/mol}$=0.03mol，根据Co、H、C元素守恒可知，x：y：z=0.03mol：0.02mol×2：0.02mol=3：4：2，得到化学式；
（5）钴废料含少量Fe、Al等杂质，含钴废料加入盐酸加热酸浸，得到溶液中含有氯化亚铁，氯化铝氯化钴等，加入过氧化氢氧化亚铁离子为铁离子，加入碳酸钴调节溶液PH使铁离子和铝离子全部沉淀，过滤得到滤液中加入盐酸调节溶液PH值通过2-3，抑制钴离子水解，蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到氯化钴晶体；
①三价铁离子易转化为沉淀，所以要把二价铁离子氧化为三价铁离子；
②调节溶液的pH值，使溶液中铁离子和铝离子生成沉淀，而钴离子存在溶液中，从而将铁离子、铝离子和钴离子分开；
③加盐酸调整pH为2～3的目的是抑制氯化钴的水解；
④分析可知操作Ⅱ过程为的溶质晶体的过程，利用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到．

解答 解：（1）③加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生，即碱式碳酸钴分解完毕，故答案为：不再有气泡产生；
（2）步骤④中缓缓通入空气数分钟，将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中，以免影响测量结果，
故答案为：将装置中生成的CO₂和H₂O全部排入乙、丙装置中；
（3）在活塞a前，加装装置D，装置中盛放的碱石灰容易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，故答案为：D；活塞a前（或装置甲前）；
（4）碱式碳酸钴样品3.65g，反应前乙装置的质量为80.00g，反应后质量为80.36g，故生成水的质量为80.36g-80.00g=0.36g，物质的量为$\frac{0.36g}{18g/mol}$=0.02mol；反应前丙装置的质量为62.00g，反应后质量为62.88g，生成二氧化碳的质量为62.88g-62.00g=0.88g，物质的量为$\frac{0.88g}{44g/mol}$=0.02mol，故Co的质量为3.65g-0.02mol×2×17g/mol-0.02mol×60g/mol=1.77g，故Co原子物质的量为：$\frac{1.77g}{59g/mol}$=0.03mol，根据Co、H、C元素守恒可知，x：y：z=0.03mol：0.02mol×2：0.02mol=3：4：2，故碱式碳酸钴的化学式为Co₃（OH）₄（CO₃）₂；
故答案为：Co₃（OH）₄（CO₃）₂；
（5）①三价铁离子易转化为沉淀，所以要加入氧化剂过氧化氢把二价铁离子氧化为三价铁离子，而不会引入新的杂质，反应的离子方程式为；2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
②废料加入盐酸后生成氯化物，然后加入双氧水，二价铁离子被双氧水氧化生成三价铁离子，根据沉淀的pH值表格知，当溶液的pH值为5.2时，铁离子和铝离子被完全沉淀，当溶液的pH值为7.6时，钴离子才开始产生沉淀，所以要想将铁离子、铝离子和钴离子分离，溶液的pH值应该不小于5.2不大于7.6，则操作I获得的滤渣成分为Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
故答案为：Fe（OH）₃和Al（OH）₃；
③加盐酸调整pH为2～3的目的为抑制CoCl₂的水解，故答案为：抑制CoCl₂的水解；
④操作Ⅱ过程为的溶质晶体的过程，利用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到，故答案为：冷却结晶；

点评 本题考查学生对实验原理理解、方案设计的评价、实验装置的理解、物质组成的测定等，难度中等，理解实验原理是解题的关键，是对知识的综合运用，需要学生具有扎实的基础与综合运用分析解决问题的能力．