Question

1．某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰（LiCoO₂）、可利用含鈷廢催化劑（主要成分為Co、Fe，SiO₂雜質(zhì)不與硫酸反應(yīng)）為為原料制取，其工藝流程如下：

（1）第Ⅰ步在過(guò)濾后，將濾渣洗滌2-3次，洗液與濾液合并，其目的是提高鈷等元素的利用率．
（2）檢驗(yàn)第Ⅱ步所得的生成液中Cl^-的方法是取少量該生成液于試管中，加入過(guò)量Ba（NO₃）₂溶液，過(guò)濾，向?yàn)V液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則說(shuō)明溶液中有Cl^-．
（3）第Ⅲ步加入適量的Na₂CO₃調(diào)節(jié)酸度，生成黃鈉鐵礬[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5Na₂SO₄+6CO₂↑．
（4）工業(yè)上利用第Ⅴ步、第Ⅵ步產(chǎn)生的廢氣（CO₂）來(lái)生產(chǎn)燃料甲醇，己知常溫常壓下：
①CH₃OH （1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H₁=-354.8kJ/mo1
②2CO₂（g）=2CO（g）+O₂（g）△H₂=+566kJ/mo1，
則反應(yīng)2CO₂（g）+4H₂O（g）=2CH₃OH（g）+3O₂（g）△H=+1275.6kJ/mo1
（5）已知第Ⅴ步測(cè)得充分燃燒后鈷氧化物質(zhì)量為2.41g，CO₂的體積為1.344L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）．寫(xiě)出該鈷氧化物的化學(xué)式Co₃O₄，第VI步生成鈷酸鋰（LiCoO₂）的化學(xué)方程式為6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂．
（6）將制得的鈷酸鋰（LiCoO₂）的正極粉均勻涂覆在鋁箔上按如圖所示裝置進(jìn)行電解，有一定量的鈷以Co²⁺的形式從正極粉中浸出，且兩極均有氣泡產(chǎn)生，陰極的電極反應(yīng)式是LiCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O和2H⁺+2e^-=H₂↑．

Answer 1

分析 含鈷廢催化劑（主要成分為Co、Fe，SiO₂雜質(zhì)不與硫酸反應(yīng)）中加入稀硫酸酸浸然后過(guò)濾，Co、Fe和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽，SiO₂不反應(yīng)，然后過(guò)濾，向?yàn)V液中加入NaClO₃，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，離子方程式為ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=6Fe³⁺+Cl^-+3H₂O，向溶液中加入Na₂CO₃并調(diào)節(jié)溶液的pH然后過(guò)濾，發(fā)生的反應(yīng)方程式為3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，然后向?yàn)V液中加入碳酸鈉、草酸銨，然后過(guò)濾得到草酸鈷，通入氧氣并灼燒草酸鈷，得到二氧化碳和鈷氧化合物，n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根據(jù)C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根據(jù)Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，則鈷氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以鈷氧化物化學(xué)式為Co₃O₄；
鈷氧化合物和碳酸鋰、氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，得到固體LiCoO₂，
（1）第Ⅰ步在過(guò)濾后，將濾渣洗滌2-3次，洗液與濾液合并，能減少Co元素的損失；
（2）用硝酸酸化的硝酸銀溶液檢驗(yàn)氯離子；
（3）Na₂CO₃和硫酸鐵發(fā)生反應(yīng)生成[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀；
（4）根據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱；
（5）n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根據(jù)C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根據(jù)Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，則鈷氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以鈷氧化物化學(xué)式為Co₃O₄；
鈷氧化物和碳酸鋰、氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成二氧化碳和LiCoO₂；
（6）陰極上氫離子得電子生成氫氣，陽(yáng)極上氫氧根離子失電子生成氧氣，所以兩極均得到氣體，陰極上LiCoO₂得電子和氫離子反應(yīng)生成Co²⁺．

解答 解：含鈷廢催化劑（主要成分為Co、Fe，SiO₂雜質(zhì)不與硫酸反應(yīng)）中加入稀硫酸酸浸然后過(guò)濾，Co、Fe和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鹽，SiO₂不反應(yīng)，然后過(guò)濾，向?yàn)V液中加入NaClO₃，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，離子方程式為 ClO₃^-+6Fe²⁺+6H⁺=6Fe³⁺+Cl^-+3H₂O，向溶液中加入Na₂CO₃并調(diào)節(jié)溶液的pH然后過(guò)濾，發(fā)生的反應(yīng)方程式為3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，然后向?yàn)V液中加入碳酸鈉、草酸銨，然后過(guò)濾得到草酸鈷，通入氧氣并灼燒草酸鈷，得到二氧化碳和鈷氧化合物，n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根據(jù)C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根據(jù)Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，則鈷氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以鈷氧化物化學(xué)式為Co₃O₄；
鈷氧化合物和碳酸鋰、氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，得到固體LiCoO₂，
（1）第Ⅰ步在過(guò)濾后，將濾渣洗滌2-3次，洗液與濾液合并，能減少Co元素的損失，從而提高鈷等元素的利用率，故答案為：提高鈷等元素的利用率；
（2）用硝酸酸化的硝酸銀溶液檢驗(yàn)氯離子，其檢驗(yàn)方法為取少量該生成液于試管中，加入過(guò)量Ba（NO₃）₂溶液，過(guò)濾，向?yàn)V液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則說(shuō)明溶液中有Cl^-
，
故答案為：取少量該生成液于試管中，加入過(guò)量Ba（NO₃）₂溶液，過(guò)濾，向?yàn)V液中滴加HNO₃酸化，再加入AgNO₃溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則說(shuō)明溶液中有Cl^-；
（3）Na₂CO₃和硫酸鐵發(fā)生反應(yīng)生成[Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂]沉淀，反應(yīng)方程式為3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑，故答案為：3Fe₂（SO₄）₃+6H₂O+6 Na₂CO₃=Na₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+5 Na₂SO₄+6CO₂↑；
（4）①CH₃OH （1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H₁=-354.8kJ/mo1
②2CO₂（g）=2CO（g）+O₂（g）△H₂=+566kJ/mo1，
將方程式②-2①得2CO₂（g）+4H₂O（g）=2CH₃OH（g）+3O₂（g）△H=（+566kJ/mo1）-2（-354.8kJ/mo1）=+1275.6kJ/mo1，故答案為：+1275.6；
（5）n（CO₂）=$\frac{1.344L}{22.4L/mol}$=0.06mol，根據(jù)C原子守恒得n（CoC₂O₄）=$\frac{1}{2}$n（CO₂）=0.03mol，根據(jù)Co原子守恒得n（Co）=n（CoC₂O₄）=0.03mol，m（Co）=0.03mol×59g/mol=1.77g，則鈷氧化物中n（O）=$\frac{（2.41-1.77）g}{16g/mol}$=0.04mol，所以鈷氧化物化學(xué)式為Co₃O₄；
鈷氧化物和碳酸鋰、氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成二氧化碳和LiCoO₂，反應(yīng)方程式為6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂，
故答案為：Co₃O₄；6Li₂CO₃+4Co₃O₄+O₂=12LiCoO₂+6CO₂；
（6）陰極上氫離子得電子生成氫氣，陽(yáng)極上氫氧根離子失電子生成氧氣，所以兩極均得到氣體，陰極上LiCoO₂得電子和氫離子反應(yīng)生成Co²⁺，
電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O和 2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案為：LiCoO₂+4H⁺+e^-=Li⁺+Co²⁺+2H₂O； 2H⁺+2e^-=H₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)分離和提純，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析推斷及基本實(shí)驗(yàn)操作能力，明確流程圖中發(fā)生的反應(yīng)、基本操作方法、物質(zhì)的性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是（5）題鈷氧化物化學(xué)式的確定，題目難度中等．