Question

Co_xFe_3-xO₄磁粉是一種比較好的高矯頑力磁粉．工業(yè)上以FeSO₄為原料制備Co_xFe_3-xO₄的主要步驟如下：
FeSO₄

①

FeOOH晶種

②

FeOOH

③

Fe₂O₃

④

Fe₃O₄

CoSO4溶液

④

Co_xFe_3-xO₄
（1）步驟①是在FeSO₄溶液中加入NaOH溶液，在40℃下攪拌生成FeOOH晶種．生成晶種的化學方程式為

 

；
（2）步驟②將晶種移到放有FeSO₄溶液和鐵皮的生長槽中，升溫到60℃，吹入空氣，待晶種長大到一定尺寸后，過濾、水洗、干燥，得FeOOH粉末．生長槽中放入鐵皮的目的是

 

，吹入空氣的作用為

 

．
（3）步驟③將FeOOH在200～300℃下加熱脫水，生成紅色Fe₂O₃．實驗室完成該操作需要下列儀器中的

 

（填字母）．
a．蒸發(fā)皿　　b．燒杯　　c．坩堝　　d．泥三角　　e．酒精燈
（4）步驟④通入H₂，加熱至300～400℃，生成Fe₃O₄．通入H₂前要向加熱爐中通入N₂，其作用為

 

．
（5）步驟⑤加入CoSO₄溶液，所得粗產(chǎn)品經(jīng)過濾、洗滌、干燥即得成品．檢驗粗產(chǎn)品洗滌干凈的實驗操作和現(xiàn)象是

 

．
（6）某研究小組欲用鋰離子電池正極廢料（含LiCoO₂、鋁箔、鐵的氧化物）制備CoSO₄?7H₂O晶體．下表列出了相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH（開始沉淀的pH按金屬離子濃度為1.0mol?L^-1計算）．

金屬離子	開始沉淀的pH	沉淀完全的pH
Fe3+	1.1	3.2
Fe2+	5.8	8.8
Co2+	6.9	9.4

請完成下列實驗步驟（可選用的試劑：H₂O₂、稀硝酸、稀硫酸、NaOH溶液）：
①用N-甲基吡咯烷酮在120℃下浸洗正極廢料，使LiCoO₂與鋁箔分離，得到LiCoO₂粗品并回收鋁．
②

 

．
③向所得粗品CoSO₄溶液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH約為5，過濾．
④

 

．
⑤將Co（OH）₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶，得到CoSO₄?7H₂O晶體．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計

專題：實驗設計題

分析：（1）該反應的反應物為FeSO₄、NaOH和O₂，產(chǎn)物為FeOOH；
（2）在此條件下反應生成酸，會對導致晶種溶解，鐵反應消耗掉生成的硫酸，同時補充原料FeSO₄；溶液中鐵為+2價，通入氧氣為氧化劑，使其被氧化為+3鐵；
（3）加熱固體用坩堝，與其配套的有泥三角、三腳架、坩堝鉗、酒精燈等；
（4）氫氣易燃，在有氧氣存在下加熱會發(fā)生爆炸，故先用氮氣排盡空氣；
（5）取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈；
（6）第①分離出LiCoO₂粗品，第③得CoSO₄溶液，并沉淀除去鐵離子，故第②應用硫酸溶解粗品，且需把生成的雜質(zhì)亞鐵離子氧化為鐵離子，可以用雙氧化水；第③得到純凈的溶液，第④應得到Co（OH）₂沉淀，應加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH≥9.4，使鈷沉淀完全，并洗滌、干燥得到純凈物．

解答： 解：（1）該反應的反應物為FeSO₄、NaOH和O₂，產(chǎn)物為FeOOH，反應的方程式為4FeSO₄+8NaOH+O₂

40℃  .

4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；故答案為：4FeSO₄+8NaOH+O₂

40℃  .

4FeOOH+4Na₂SO₄+2H₂O；
（2）在此條件下反應生成酸，會對導致晶種溶解，鐵反應消耗掉生成的硫酸，同時補充原料FeSO₄；溶液中鐵為+2價，通入氧氣為氧化劑，使其被氧化為+3鐵；故答案為：消耗硫酸，生成FeSO₄；氧化FeSO₄生成FeOOH，使晶種生長；
（3）加熱固體用坩堝，與其配套的有泥三角、三腳架、坩堝鉗、酒精燈等；故答案為：cde；
（4）氫氣易燃，在有氧氣存在下加熱會發(fā)生爆炸，故先用氮氣排盡空氣；故答案為：除去空氣，防止氫氣與氧氣混合反應爆炸；
（5）取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈；故答案為：取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產(chǎn)生白色沉淀，則表明洗滌干凈；
（6）第①分離出LiCoO₂粗品，第③得CoSO₄溶液，并沉淀除去鐵離子，故第②應用硫酸溶解粗品，且需把生成的雜質(zhì)亞鐵離子氧化為鐵離子，可以用雙氧化水；故答案為：用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入過量H₂O₂；
第③得到純凈的溶液，第④應得到Co（OH）₂沉淀，應加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH≥9.4，使鈷沉淀完全，并洗滌、干燥得到純凈物；故答案為：向③所得濾液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH至9.4，過濾，洗滌得到Co（OH）₂沉淀．

點評：本題考查Co_xFe_3-xO₄的制備，涉及沉淀的生成、化學實驗等，難度較大，需要學生具有扎實的基礎(chǔ)與運用知識分析解決問題的能力，注意基礎(chǔ)知識的理解掌握