Question

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

（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，所得粗產品經過濾、洗滌、干燥即得成品。檢驗粗產品洗滌干凈的實驗操作和現象是        。
（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1.0 mol·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，調節pH約為5，過濾。
④        。
⑤將Co(OH)₂沉淀溶于稀硫酸中，蒸發濃縮、降溫結晶，得到CoSO₄·7H₂O晶體。

Answer 1

（1）4FeSO₄＋8NaOH＋O₂4FeOOH＋4Na₂SO₄＋2H₂O(2分)
（2）消耗硫酸，生成FeSO₄(2分)
氧化FeSO₄生成FeOOH，使晶種生長(2分)
（3）cde(2分)
（4）除去空氣，防止氫氣與氧氣混合反應爆炸(1分)
（5）取最后一次洗滌濾出液少許于試管中，滴加氯化鋇溶液，如果不產生白色沉淀，則表明洗滌干凈
(2分)
（6）②用稀硫酸溶解LiCoO₂，并加入過量H₂O₂(2分)
④向③所得濾液中加入NaOH溶液，調節pH至9.4，過濾，洗滌得到Co(OH)₂沉淀(2分)

試題分析：（1）該反應的反應物為FeSO₄、NaOH和O₂，產物為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節pH≥9.4,使鈷沉淀完全，并洗滌、干燥得到純凈物。