微专题18 金属及其化合物制备流程（Co）-备战2022年高考化学考点微专题（解析版）

微专题18金属及其化合物制备流程（Co）钴:元素符号Co，原子序数27，原子量58.93，外围电子排布3d74s2，位于第四周期Ⅷ族。主要氧化数+1、+3、+4。一、物理性质：金属，硬而有延展性，具有铁磁性，密度8.9克/厘米3，熔点1495℃，沸点2870℃。二、化学性质：常温下不跟空气，水反应。白热时燃烧生成四氧化三钴，也能分解水蒸气。能跟卤素直接化合。能溶解于盐酸、硫酸和硝酸中。能被氢氟酸，氨水和氢氧化钠溶液缓慢侵蚀。三、用途：用于制超硬耐热合金、磁性合金和切削工具用合金。同位素60Co是一种放射源，用于医疗、科研和生产中。1735年瑞典人布朗特煅烧钻矿得到钴。主要钴矿有辉钴矿、砷钴矿。先将钴矿转化为氧化钴，然后用铝还原制取钴。四、钴的提取工艺自然界中的钴矿很少单独存在，主要伴生于镍矿、铜矿、黄铁矿和砷矿床中，而且含量较少，提取起来相对比较困难。钴矿资源主要有镍钴硫化矿和氧化矿，铜钴矿，砷钴矿，含钴黄铁矿四种类型。钴冶炼特点表现为原料品位低，提取流程长，提取方法多。1．从镍、铜硫的吹炼渣中提钴：含钴吹炼渣在鼓风炉或电炉中经还原硫化熔炼，获得钴合金或钴锍。经磁选富集后加压酸浸，使钴进入溶液。溶液经净化后加入草酸使钴生产草酸钴沉淀，草酸钴经煅烧即可产出精制氧化钴产品。2．从镍精炼净化渣中提钴：镍电解精炼过程中阳极液净化产出的钴渣是重要的提钴原料。钴渣经还原硫酸浸出使钴呈硫酸钴进入溶液，溶液用黄钠铁矾法除铁，萃取法除铜，锌，锰等杂质和镍钴分离获得纯净的氯化钴溶液，籍此可生产氧化钴产品，或经电积获取金属钴产品。3．从含钴黄铁矿中提取钴： 含钴黄铁矿经浮选可产出含钴0.3%～0。5%的钴硫精矿。钴硫精矿经硫酸化焙烧，使精矿中的钴，镍，铜等有价元素转变为可溶性的硫酸盐。焙砂用水浸或酸浸使钴，镍，铜等转入溶液。浸出液经净化除杂除去铁，铜，锌，锰等杂质，再经镍钴分离得到纯净的钴溶液，电积生产金属钴。4．从砷钴矿提取钴：砷钴矿经焙烧或熔炼使砷以As2O3挥发脱除，得到焙砂或钴锍经酸浸使钴进入溶液，溶液经除铁，砷和铜，锌，锰等杂质后进入镍钴分离。净化后的钴溶液再根据市场需要生产金属钴或氧化钴产品。钴大多伴生在其他矿物中而且成分复杂，因此钴的冶炼方法繁多，流程复杂。钴的冶炼一般分成三个步骤:一是把钴从矿石中转入溶液，或制成粗钴合金或钴锍，再转入溶液；二是除杂净化；三是提取金属。钴的冶炼工艺大体上可分为4大类：高温熔炼富集后湿法提取钴，硫酸化焙烧后浸出提出钴，还原焙烧氨浸法和加压浸出法。【专题精练】 1．(2021年河北省第七模拟)钴酸锂电池的正极材料含有钴酸锂()、导电剂乙炔黑、铝箔及少量铁，通过如图工艺流程可回收铝、钴、锂。回答下列问题：(1)钴酸锂电池放电时负极反应式为，拆解废旧电池前进行放电处理，既可保证安全又有利于回收锂。有利于回收锂的原因是___________。(2)“酸浸”时、元素的浸出率随温度的变化如图所示：“酸浸”的适宜温度是___________，该过程有多个反应，钴酸锂发生的主要反应的离子方程式为___________。(3)“调pH除杂”的目的是使沉淀完全[]，则常温下应控制___________[已知：的为]。(4)沉锂过程要对所得滤渣进行洗涤，检验沉淀是否洗净的操作为___________。(5)沉钴的化学方程式为___________。将溶液沉钴所得晶体配成溶液，经过一系列处理后通过滴定实验测得消耗碘标准溶液 ，则沉钴过程中的产率为___________。(已知：在“一系列处理”过程中二价钴被碘氧化成三价钴)【答案】(1)负极生成的锂离子向正极移动，在正极上生成钴酸锂，便于回收(2)80℃(3)3(4)取少量最后一次洗涤液于试管中，加盐酸酸化，再滴加氯化钡溶液，若不产生白色沉淀，说明已洗涤干净，反之则未洗净(5)97%【解析】(1)由酸锂电池放电时负极反应式可知，拆解废旧电池前进行放电处理可使负极中的锂元素转化为锂离子进入电解质溶液中，锂离子向正极移动，在正极上生成钴酸锂，有利于回收利用，故答案为：负极生成的锂离子向正极移动，在正极上生成钴酸锂，便于回收；(2)由图可知，当温度高于80℃时，钴元素的浸出率降低，则酸浸的适宜温度是80℃；由题意可知，在酸性溶液中，钴酸锂与过氧化氢发生氧化还原反应生成硫酸锂、硫酸亚钴、氧气和水，反应的离子方程式为，故答案为：80℃；；(3)由氢氧化铁的Ksp=c(Fe3+)c3(OH—)可得c(Fe3+)=≤1×10—5mol/L，解得c(OH—)≥mol/L=1×10—11mol/L，则常温下应控制pH≥3，故答案为：3； (4)沉锂过程发生的反应为硫酸锂溶液与碳酸钠溶液反应生成碳酸锂沉淀和硫酸钠，则检验沉淀是否洗净就是检验洗涤液中是否含有硫酸根离子，具体的实验操作为取少量最后一次洗涤液于试管中，加盐酸酸化，再滴加氯化钡溶液，若不产生白色沉淀，说明已洗涤干净，反之则未洗净，故答案为：取少量最后一次洗涤液于试管中，加盐酸酸化，再滴加氯化钡溶液，若不产生白色沉淀，说明已洗涤干净，反之则未洗净；(5)沉钴发生的反应为硫酸亚钴溶液和草酸铵溶液反应生成二水草酸亚钴沉淀和硫酸铵，反应的化学方程式为，100mL0.50mol/L硫酸亚钴理论上可制得的物质的量为0.50mol/L×0.1L=0.050mol，由题意可得：2—I2，由消耗48.50mL0.50mol/L碘标准溶液可知实际制得的物质的量为0.50mol/L×0.04850L×2=0.0485mol，则沉钴过程中的产率为×100%=97%，故答案为：；97%。2．(2021届滨州市高三上学期期末)从砷盐净化渣(主要成分为、、、、和)中回收有利用价值金属的工艺流程如下，回答下列问题：(1)在“选择浸”之前，将砷盐净化渣进行粉碎的目的是_________.(2)其他条件不变时，和的浸出率随变化如图所示，则“选择浸 ”过程中，最好控制溶液的_________.从“浸液”中制备时需要结晶、过滤、洗涤、烘干，烘干操作需在减压低温条件下进行的原因是_______________.(3)“氧化浸出”时，发生的反应有，另外还有______________.(4)循环利用的物质M为____________(填名称).(5)草酸钴是制备各种钴氧化物和钴粉的重要原料，广泛应用于磁性材料、电极材料及超硬材料等领域.草酸钴在惰性气氛中的热重分析图谱表明，350—420℃之间的失重率达59.9%，则该温度范围内草酸钴分解的化学方程式为______________.【答案】(1)减小粒度，增大固液的接触面积，提高砷盐净化渣的浸出率(2)3防止分解或失水(3)、(或)(4)砷酸钠(5)【解析】(1)将砷盐净化渣进行粉碎可以减小粒度，增大固液的接触面积，提高砷盐净化渣的浸出率；(2)控制pH，使锌的浸出率要高，钴的浸出率低，由图可知，最好控制溶液的pH=3；温度高时分解或失水，所以采用在减压低温条件；(3)氧化浸出的过程中铜和钴也被过氧化氢氧化，方程式为：、(或)；(4)沉淀用NaOH碱浸得到氢氧化铜，同时又生成Na3AsO4，在沉铜过程中循环利用，所以循环利用的物质为砷酸钠；(5)草酸钴中钴的质量分数为 ，350—420℃之间的失重率达59.9%，说明草酸钴分解生成钴单质，方程式为：。3．(2021年河北省第八模拟)草酸钴是一种重要的化工材料，广泛应用于有机合成。一种以铜钴矿粉(主要成分为，还含一定量)为原料，生产草酸钴晶体()的工艺流程如下：已知：①“浸出”液含有的离子主要有、、、、；②草酸钴晶体难溶于水。回答下列问题：(1)“浸出”时常采取分批加入细菌浸取液并搅拌的措施，其目的是____________________。(2)“萃取”步骤中萃取除去的主要金属阳离子是______。在实验室中进行萃取分液时需要使用的玻璃仪器主要有____________________。(3)“氧化”过程中发生的主要反应的离子方程式为____________________。“氧化”时温度常控制在70℃左右，温度不宜过高也不宜过低的原因为____________________。(4)“过滤”后的滤液中加入溶液反应得到草酸钴晶体，过滤得到的草酸钴晶体需要洗涤，实验室中洗涤该晶体的方法为____________________。(5)在空气中加热一定质量的固体样品时，其固体失重率数据见下表，请补充完整表中问题。已知：①在空气中加热至300℃及以上时，所得固体产物为钴氧化物，气体产物为。②。 序号温度范围/℃发生反应的化学方程式固体失重率Ⅰ120～22019.67%Ⅱ300～350___________________________________56.12%【答案】(1)使反应更充分，提高铜钴矿粉浸出率(2)分液漏斗、烧杯(3)低于70℃，反应速率较慢，超过70℃，易造成分解(4)向过滤器中加入蒸馏水至没过草酸钴晶体，待水自然流下后，重复操作2~3次(5)【解析】(1)分批加入细菌浸取液并搅拌能使反应物混合更均匀，反应更充分，从而提高铜钴矿粉的浸出率；(2)分析流程可知，萃取步骤是为了除去杂质；实验室进行萃取分液时需要使用的玻璃仪器主要有分液漏斗和烧杯；(3)由流程梳理可知，“氧化”过程中，过氧化氢与亚铁离子发生氧化还原反应生成，反应的离子方程式为；“氧化”时低于70℃，反应速率较慢，超过70℃，易造成分解；(4)由已知信息知，草酸钴晶体难溶于水，洗涤草酸钴晶体的方法为向过滤器中加入蒸馏水至没过草酸钴晶体，待水自然流下后，重复操作2～3次；(5)在空气中加热一定质量的固体样品时，该样品首先失去结晶水，在120～220℃时，固体失重率为19.67%，反应的化学方程式为 ；在300～350℃时，固体失重率为56.12%，设1mol受热分解，由题中信息可知，所得固体残留率为43.88%，质量为80g，因为1molCo全部留在固体中，所以O的质量为21g，Co和O的原子个数比为3:4，固体产物为，已知气体产物为CO2，根据得失电子守恒和原子守恒，该反应的化学方程式为。4．(2021届佛山市高三上学期期中)氯化钴是治疗障碍性贫血药物的主要成分之一。下面是从海绵钴(含有少量Fe、Ni)中制备氯化钴晶体的工艺流程：已知：①Co、Ni溶于盐酸均生成+2价金属阳离子；②Ni2+溶于氨水生成[Ni(NH3)6]2+离子。回答下列问题：(1)为提高海绵钴的溶浸率，可以采用的措施有_______(写出一条即可)。(2)写出“除Ni”时发生的离子反应方程式：_______。(3)“沉铁”步骤中，加入H2O2时发生的离子反应为_______；加入CoO的目的是_______。(4)已知25℃时，若Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-38，离子浓度小于或等于1.0×10-5mol/L时表示完全沉淀，则该温度下Fe3+完全沉淀时pH=_______。(5)操作a的实验步骤为_______。(6)将CoCl2·6H2O晶体在HCl氛围下加热，所得样品的固体残留率(×100%)随温度的变化如图所示。 则当固体残留率为62.18%时，所得固体的化学式为_______。【答案】(1)将海绵钴粉碎，适当增加盐酸浓度，适当升高酸溶温度，搅拌等(2)Ni2++6NH3•H2O═[Ni(NH3)6]2++6H2O(3)2Fe2++H2O2+2H+═2Fe3++2H2O(4)调节溶液的pH，使铁离子形成沉淀而除去3(5)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤(6)CoCl2•H2O【解析】(1)为提高海绵钴的溶浸率，可通过升高温度、增大浓度、增大接触面积等措施，所以采用的措施有将海绵钴粉碎，适当增加盐酸浓度，适当升高酸溶温度，搅拌等；故答案为：将海绵钴粉碎，适当增加盐酸浓度，适当升高酸溶温度，搅拌等；(2)“除Ni”时，加入氨水，Ni2+转化为[Ni(NH3)6]2+，发生的离子反应方程式：Ni2++6NH3•H2O═[Ni(NH3)6]2++6H2O，故答案为：Ni2++6NH3•H2O═[Ni(NH3)6]2++6H2O；(3)“沉铁”步骤中，加入H2O2时，Fe2+被氧化为Fe3+，发生的离子反应为2Fe2++H2O2+2H+═2Fe3++2H2O；加入CoO的目的，与H+反应，促进Fe3+水解，所以是调节溶液的pH，使铁离子形成沉淀而除去，故答案为：2Fe2++H2O2+2H+═2Fe3++2H2O；调节溶液的pH，使铁离子形成沉淀而除去；(4)已知25℃时，若Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-38，离子浓度小于或等于1.0×10-5mol/L时表示完全沉淀，则该温度下Fe3+完全沉淀时c(OH-)=mol/L=1.0×10-11mol/L，pH=3，故答案为：3；(5)操作a的实验步骤为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤；(6)设CoCl2•6H2O晶体的物质的量为1mol，则其质量为238g，当固体残留率为62.18%时，剩余固体的质量为238g×62.18%=148g，而CoCl2 的相对分子质量为130g，则剩余固体仍为无水盐，结晶水的物质的量为=1mol，即剩余固体中仍含有1个结晶水，所得固体的化学式为CoCl2•H2O，故答案为：CoCl2•H2O。5．(2021届汕头市高三下学期3月第一次模拟)陶瓷工业中钴系色釉具有呈色稳定、呈色强度高等优点，利用含钴废料(主要成分为Co3O4，还含有少量的铝箔、LiCoO2等杂质)制备碳酸钴的工艺流程如下：(1)“滤液①”主要成分是：___________；“操作①”、“操作②”的分离方法是否相同___________(填“是”或“否”)。(2)“酸溶”中H2O2的作用是：___________(选填“氧化剂”或“还原剂”或“既是氧化剂又是还原剂”)；若用Na2S2O3代替H2O2则有两种硫酸盐生成，写出Na2S2O3在“酸溶”时发生的化学方程式：___________。(3)已知钴、锂在有机磷萃取剂中的萃取率与pH的关系如下图所示，则有机磷萃取时最佳pH为___________。(4)Co2+萃取的反应原理如下：Co2++2HR(有机层)CoR2+2H+，则从有机相中分离出CoSO4需向有机溶剂中加入以下哪种试剂___________(填选项)。 A．H2SO4B．NaOHC．Co(OH)2D．HR(5)“沉钴”时Na2CO3的滴速过快或浓度太大，都会导致产品不纯，请分析原因：___________。(6)在空气中煅烧CoCO3生成钴的氧化物和CO2，测得充分煅烧后固体质量为24.1g，CO2的体积为6.72L(标准状况)，则该钴氧化物的化学式为___________。【答案】(1)NaAlO2否(2)还原剂(3)5.3至6区间(4)A(5)Na2CO3的滴速过快或浓度太大，会使溶液碱性增强而产生Co(OH)2(6)Co3O4【解析】(1)由分析知，滤液①主要成分为NaAlO2；操作①为过滤，操作②为萃取，故操作不同，此处填“否”；(2)由分析知，H2O2的作用为还原剂；若用Na2S2O3代替H2O2，根据题意知，生成CoSO4和Na2SO4，结合得失电子守恒、元素守恒配平得方程式为：；(3)萃取时，确保Co2+萃取率高，但Li+萃取率要低，结合图像知，最佳pH为5.3~6；(4)反萃取即使萃取平衡向逆向移动，根据平衡移动原理，在不引入新杂质的情况下可加入H2SO4，使平衡逆向移动，从而达到反萃取目的，故答案选A；(5)若Na2CO3的滴速过快或浓度太大，会使溶液碱性增强而产生Co(OH)2杂质；(6)由碳元素守恒得：n(CoCO3)=n(CO2)=，由Co元素守恒知氧化物中Co元素为0.3mol，则氧元素n(O)=，则，故该氧化物化学式为Co3O4。【氯化钴】别名氯化亚钴或二氯化钴。化学式CoCl2，式量129.83。无水物为蓝色六方晶体，结晶水合物中由于结晶水数不同而呈不同颜色。它们的相互转变温度及特征颜色如下： 　易潮解，易溶于水、乙醇，水溶液呈粉红色。密度3.356克/厘米3，熔点724℃(在氯化氢中)，沸点1049℃。用作分析试剂，氨的吸收剂，还用硅胶吸湿情况的指示剂。由钴跟氯气直接反应可制得。【硝酸钴】别名硝酸亚钴。化学式Co(NO3)2·6H2O，式量291.03。红色晶体。有潮解性。易溶于水和乙醇，微溶于氨水。有强氧化性，与有机物摩擦和撞击能引起燃烧和爆炸。55℃时熔于结晶水。用作分析试剂，测定钾，用于制催化剂，蓝宝石抛光膏等。由钴跟硝酸反应或由碱式碳酸钴跟硝酸反应制得。【氧化高钴】别名三氧化二钴，化学式Co2O3，式量165.86。灰黑色结晶性粉末。溶于热盐酸或热稀硫酸，分别放出氯气和氧气。不溶于水和醇。熔点895℃(分解)。用作分析试剂，氧化剂，催化剂。还用于制取钴或钴盐。在空气中加热碳酸钴可制得三氧化二钴。【三氧化二钴】见氧化高钴条。