Question

三氧化二钴主要用作颜料、釉料及磁性材料，利用铜钴矿石制备Co₂O₃的工艺流程如图所示。

已知：铜钴矿石主要含有CoO(OH)、CoCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃和SiO₂，其中还含有一定量的Fe₂O₃、MgO和CaO等。请回答下列问题：

(1)“浸泡”过程中可以加快反应速率和提高原料利用率的方法是_______(写出2种即可)。

(2)“浸泡”过程中，加入Na₂SO₃溶液的主要作用是____________。

(3)向“沉铜”后的滤液中加入NaClO₃溶液，写出滤液中的金属离子与NaClO₃反应的离子方程式________________。

(4)温度、pH对铜、钴浸出率的影响如图1、图2所示：

①“浸泡”铜钴矿石的适宜条件为__________________。

②图2中pH增大时铜、钴浸出率下降的原因可能是___________。

(5)CoC₂O₄·2H₂O在空气中高温煅烧得到Co₂O₃的化学方程式是________。

(6)一定温度下，向滤液A中加入足量的NaF溶液可将Ca²⁺、Mg²⁺沉淀而除去，若所得滤液B中c(Mg²⁺)=1.0×10^-5 mol/L，则滤液B中c(Ca²⁺)为______。［已知该温度下K_sp(CaF₂)=3.4×10^-11，K_sp(MgF₂)=7.1×10^－11］

Answer

升温、粉碎矿石、适当增加稀硫酸的浓度(任意两种) 将Co3+、Fe3+还原为Co2+、Fe2+ ClO3-+6Fe2++6H+=Cl-+6Fe3++3H2O 温度为65～75℃、pH为0.5～1.5 pH升高后溶液中c(H+)下降，溶解CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3的能力降低 4CoC2O4·2H2O+3O22Co2O3+8CO2+8H2O 4.8×10-6 mol/L

【解析】

含钴废料中加入过量稀硫酸和Na2SO3，可得Co2+、Cu2+、Fe2+、Mg2+、Ca2+，加入的Na2SO3主要是将Co3+、Fe3+还原为Co2+、Fe2+，沉铜后加入NaClO3将Fe2+氧化为Fe3+，加入Na2CO3调pH，可以使Fe3+沉淀，过滤后所得滤液主要含有Co2+、Mg2+、Ca2+，再用NaF溶液除去钙、镁，过滤后，向滤液中加入浓Na2CO3溶液转为CoCO3固体，最后进入草酸铵溶液得到草酸钴，煅烧后制得Co2O3。

(1)“浸泡”过程中可以加快反应速率和提高原料利用率的方法是如升高温度、粉碎矿石、适当增加稀硫酸的浓度等(任意两种)；

(2)Co2O3与硫酸反应产生Co2(SO4)3，杂质Fe2O3与硫酸反应产生Fe2(SO4)3，Co3+、Fe3+都具有氧化性，而Na2SO3具有还原性，所以在“浸泡”过程中，加入Na2SO3溶液的主要作用是将溶液中的将Co3+、Fe3+还原为Co2+、Fe2+；

(3)“沉铜”后的滤液中含有Fe2+，向其中加入NaClO3溶液，NaClO3会将Fe2+氧化为Fe3+，则根据电子守恒、电荷守恒及原子守恒，可知滤液中的Fe2+与NaClO3反应的离子方程式为：ClO3-+6Fe2++6H+=Cl-+6Fe3++3H2O；

(4)①根据图1可知，温度在65℃～75℃时，钴、铜的浸出率最高，且之后铜的浸出率变化不大，钴的浸出率有下降趋势。在图2中pH：0.5～1.5铜、钴的浸出率最高，pH>1.5，铜、钴的浸出率开始下降。故 “浸泡”铜钴矿石的适宜条件为温度：65℃～75℃、pH：0.5～1.5；

②图2是pH变化对铜、钴浸出率的影响，浸出过程中是利用H+和CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3中的OH-和CO32-反应，使得Co3+和Co2+溶解在溶液中，所以pH升高后溶液中c(H+)浓度下降，使得溶解CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3的能力下降；

(5)由题中可知CoC2O4•2H2O在空气中高温煅烧得到Co2O3，CoC2O4中Co的化合价为+2价，生成Co2O3(Co的化合价为+3价)，化合价升高，说明空气中的O2作为氧化剂参与了反应，而C2O42-具有一定还原性也被O2氧化成CO2，故产物分别为Co2O3和CO2，根据元素守恒，可推测出产物中还有H2O生成。在根据电子守恒和原子守恒法，最终可得知反应方程式为4CoC2O4·2H2O+3O22Co2O3+8CO2+8H2O；

(6) Ksp(CaF2)=c(Ca2+)·c2(F-)=3.4×10-11，Ksp(MgF2)=c(Mg2+)·c2(F-)=7.1×10－11，所以=0.48，所以c(Ca2+)=0.48×1×10-5 mol/L=4.8×10-6 mol/L。