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10.钴(Co)及其化合物在工业上有广泛应用.为从某工业废料中回收钴,某学生设计流程如下(废料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物质).

已知:①物质溶解性:LiF难溶于水,Li2CO3微溶于水;
②部分金属离子形成氢氧化物沉淀的pH见表:
Fe3+Co2+Co3+Al3+
pH(开始沉淀)1.97.15-0.233.4
pH(完全沉淀)3.29.151.094.7
请回答:
(1)步骤Ⅰ中得到含铝溶液的反应的离子方程式是2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑.
(2)写出步骤Ⅱ中Co2O3与盐酸反应的离子方程式Co2O3+6H++2Cl-=2Co2++Cl2↑+3H2O
(3)步骤Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是调节溶液的pH,应使溶液的pH不超过7.15.废渣中的成分有LiF,Fe(OH)3.
(4)NaF与溶液中的Li+形成LiF沉淀,此反应对步骤Ⅳ所起的作用是降低溶液中Li+浓度,避免步骤Ⅳ中产生Li2CO3沉淀.
(5)在空气中加热CoC2O4固体,经测定,210~290℃的过程中只产生CO2和一种化合物,该化合物中钴元素的质量分数为73.44%.此过程发生反应的化学方程式是3CoC2O4+2O2$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$ Co3O4+6CO2.
(6)某锂离子电池的总反应为C+LiCoO2$?_{放电}^{充电}$ LixC+Li1-xCoO2,LixC中Li的化合价为0价,该锂离子电池充电时阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+.

分析 该工艺流程为:废料加入氢氧化钠溶液碱浸,得到钴渣,加入盐酸溶解后发生氧化还原反应,氧化钴氧化氯离子为氯气,过滤得到酸溶的溶液加入碳酸钠溶液和NaF溶液净化,除去锂离子和铁离子,在滤液中加入碳酸钠溶液沉淀钴离子为碳酸钴沉淀,加入盐酸和草酸铵溶液得到草酸钴晶体,高温分解得到氧化钴;
(1)步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和氢气;
(2)Co2O3与盐酸反应生成Cl2,依据得失电子守恒结合原子个数守恒写成反应的离子方程式;
(3)依据表中数据分析判断加入碳酸钠调节溶液PH,沉淀铁离子和锂离子,但不能沉淀钴离子;
(4)NaF与溶液中的Li+形成LiF沉淀,防止锂离子结合碳酸根离子形成碳酸锂沉淀;
(5)210℃~290℃过程中是CoC2O4发生的反应,210℃~290℃过程中产生的气体只有CO2 ,依据元素守恒得到生成CO2物质的量为0.06mol,质量=0.06mol×44g/mol=2.64g,气体质量共计减小=4.41g-2.41g=2g,说明不是分解反应,参加反应的还有氧气,则反应的氧气质量=2.64g-2g=0.64g,O2物质的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol,依据原子守恒配平书写反应的化学方程式;
(6)LiCoO2中锂元素化合价为+1价,则依据放电反应分析判断,LixC中锂元素化合价为0价,由锂离子电池的总反方程式可知C+LiCoO2→LixC+Li1-xCoO2为充电过程即为电解池,则锂硫电池给锂离子电池充电,LiCoO2为阳极失电子发生氧化反应,

解答 解:(1)步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和氢气,反应的离子方程式:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑;
故答案为:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑;
(2)Co2O3与盐酸反应生成Cl2,反应中钴元素化合价降低为+2价.氯元素化合价-1价变化为0价,依据得失电子守恒可知Co2O3的系数为1,Cl-的系数为2,结合原子个数守恒,反应的离子方程式:Co2O3+6H++2Cl-=2Co2++Cl2↑+3H2O;
故答案为:Co2O3+6H++2Cl-=2Co2++Cl2↑+3H2O;
(3)依据表中数据分析判断加入碳酸钠调节溶液PH,沉淀铁离子和锂离子,但不能沉淀钴离子,步骤Ⅲ中Na2CO3溶液的作用是调节溶液的pH,应使溶液的pH不超过7.15,废渣中的主要成分为LiF和Fe(OH)3;
故答案为:7.15; LiF,Fe(OH)3;
(4)NaF与溶液中的Li+形成LiF沉淀,此反应对步骤Ⅳ所起的作用是,降低溶液中Li+浓度,避免步骤Ⅳ中产生Li2CO3沉淀;
故答案为:降低溶液中Li+浓度,避免步骤Ⅳ中产生Li2CO3沉淀;
(5)210℃~290℃过程中是CoC2O4发生的反应,产生的气体只有CO2 ,依据元素守恒得到生成CO2物质的量为0.06mol,质量=0.06mol×44g/mol=2.64g,气体质量共计减小=4.41g-2.41g=2g,说明说明有气体参加反应应为氧气,则反应的氧气质量=2.64g-2g=0.64g,O2物质的量=$\frac{0.064g}{32g/mol}$=0.02mol,则:
n(CoC2O4):n(O2):n(CO2)=0.03:0.02:0.06=3:2:6,
方程式计量系数之比等于转化量之比,所以该反应的方程式为:3CoC2O4+2O2$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co3O4+6CO2;
故答案为:3CoC2O4+2O2$\frac{\underline{\;210-290℃\;}}{\;}$Co3O4+6CO2;
(6)LiCoO2中锂元素化合价为+1价,则依据放电为原电池反应,锂元素化合价升高发生氧化反应分析判断,LixC中锂元素化合价为0价,是锂单质镶嵌在碳中做原电池负极,由锂离子电池的总反方程式可知C+LiCoO2→LixC+Li1-xCoO2为充电过程即为电解池,则锂硫电池给锂离子电池充电,LiCoO2为阳极失电子发生氧化反应:LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2 +xLi+,C为阴极得电子发生还原反应:C+xe-+xLi+=LixC,
故答案为:0,LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+;

点评 本题通过从某工业废料中回收钴的工艺流程考查了化学方程式、离子方程式书写,确各个阶段固体成分及先后分解生成物成分是解本题关键,题目难度中等.

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(4)若该工厂用mkg铝土矿共制得nkg Al(假设每步反应进行完全),则铝土矿中Al2O3的质量分数为5100n/27m%或 1700n/9m%.
(5)若将铝溶解,下列试剂中最好选用B(填编号).
A.浓硫酸B. 稀硫酸C.稀HNO3   D.浓HNO3
(6)电解冶炼铝时用Na3AlF6作助熔剂,Na3AlF6是配合物,其中内界是[AlF6]3-,配位数为6.

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