Question

1．廢舊鋰離子電池的正極材料主要含有LiCoO₂（也表示為：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，可通過下列實驗方法回收Co、Li．

已知：上述“酸溶、還原”步驟所得的溶液中沒有檢測出Fe³⁺，且溶液呈酸性；
（1）“酸溶、還原”步驟中被還原的元素為鈷（填元素名稱）；檢驗“除鐵”后所得溶液中不含有Fe³⁺的實驗方法是取“廢鐵”后的濾液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不變紅色，則說明上述濾液中不含鐵離子，否則含有鐵離子
（2）“氧化”發(fā)生的離子方程式是4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．“除鐵”步驟中，pH不宜過高，其目的是確保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉鈷”步驟中需加人過量的NaOH溶液，其目的是確保Co²⁺沉淀，并將Al³⁺轉化為AlO₂^-從而避免沉淀；
（3）Co（OH）₂在空氣中加熱時，固體殘留率（$\frac{剩余固體的質量}{原始固體的質量}$×100% ）隨溫度的變化如圖2所示．已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時已完全脫水．則1000℃時（B點），剩余固體成分為CoO（填化學式）；從120-290℃這段過程所發(fā)生的總反應方程式為4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O．

Answer 1

分析 廢舊鋰離子電池的正極材料主要含有LiCoO₂（也表示為：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，向樣品中加入稀硫酸、SO₂，發(fā)生的反應有2LiCoO₂+2H₂SO₄+SO₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+2H₂O、Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑，然后向溶液中通入空氣，F(xiàn)e²⁺被氧化生成Fe³⁺，離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，向溶液中加入NaOH，將Fe³⁺轉化為Fe（OH）₃沉淀，過濾后溶液再加入NaOH溶液，發(fā)生的離子反應為Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂沉淀，過濾后向濾液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃，
（1）“酸溶、還原”步驟中被還原的元素為Co元素；
Fe³⁺用KSCN溶液檢驗；
（2）Fe²⁺不穩(wěn)定，易被空氣氧化生成Fe³⁺；“除鐵”步驟中，pH不宜過高，其目的是確保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉鈷”步驟中需加人過量的NaOH溶液，NaOH能溶解Al（OH）₃；
（3）根據(jù)質量守恒定律，在變化過程中，Co的質量沒有變，通過題給數(shù)據(jù)看，在1000℃是Co（OH）₂完全分解，則產(chǎn)物CoO；
反應前后Co元素位于固體中，290℃固體殘留率為89.25%，假設原來固體質量為93g，其物質的量為1mol，
則n（Co）=n[Co（OH）₂]=1mol，反應后固體質量減少質量為水，m（H₂O）=93g×（1-89.25%），剩余固體中n（O）=2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$，
所以n（Co）：n（O）=1mol：[2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$]=2：3，所以殘留固體成分為Co₂O₃，根據(jù)反應物和生成物及反應條件書寫方程式．

解答 解：廢舊鋰離子電池的正極材料主要含有LiCoO₂（也表示為：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，向樣品中加入稀硫酸、SO₂，發(fā)生的反應有2LiCoO₂+2H₂SO₄+SO₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+2H₂O、Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑，然后向溶液中通入空氣，F(xiàn)e²⁺被氧化生成Fe³⁺，離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，向溶液中加入NaOH，將Fe³⁺轉化為Fe（OH）₃沉淀，過濾后溶液再加入NaOH溶液，發(fā)生的離子反應為Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂沉淀，過濾后向濾液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃，
（1）“酸溶、還原”步驟中被還原的元素為Co元素；
Fe³⁺用KSCN溶液檢驗，其檢驗方法為：取“廢鐵”后的濾液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不變紅色，則說明上述濾液中不含鐵離子，否則含有鐵離子，
故答案為：Co；取“廢鐵”后的濾液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不變紅色，則說明上述濾液中不含鐵離子，否則含有鐵離子；
（2）Fe²⁺不穩(wěn)定，易被空氣氧化生成Fe³⁺，離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，“除鐵”步驟中，pH不宜過高，其目的是確保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉鈷”步驟中需加人過量的NaOH溶液，NaOH能溶解Al（OH）₃，且確保Co²⁺沉淀，
故答案為：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；確保Co²⁺沉淀，并將Al³⁺轉化為AlO₂^-從而避免沉淀；
（3）根據(jù)質量守恒定律，在變化過程中，Co的質量沒有變，通過題給數(shù)據(jù)看，在1000℃是Co（OH）₂完全分解，則產(chǎn)物CoO；
反應前后Co元素位于固體中，290℃固體殘留率為89.25%，假設原來固體質量為93g，其物質的量為1mol，
則n（Co）=n[Co（OH）₂]=1mol，反應后固體質量減少質量為水，m（H₂O）=93g×（1-89.25%），剩余固體中n（O）=2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$，
所以n（Co）：n（O）=1mol：[2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$]=2：3，所以殘留固體成分為Co₂O₃，根據(jù)反應物和生成物及反應條件書寫方程式為4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O，
故答案為：CoO；4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O．

點評 本題考查物質分離和提純，為高頻考點，側重考查學生分析計算能力，明確流程圖中各個步驟發(fā)生的反應或操作目的是解本題關鍵，難點是（3）題計算，根據(jù)反應前后Co原子守恒進行計算，題目難度中等．