任务钴矿石分析方法的选择

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任务描述

自然界已知含钴矿物有100多种，但具有工业价值的矿物仅十余种。钴在地壳中的含量约23×10-6，多伴生于镍、铜、铁、铅、锌等矿床中。本任务对钴的化学性质、钴矿石的分解方法、钴的分析方法选用等进行了阐述。通过本任务的学习，知道钴的化学性质，能根据矿石的特性、分析项目的要求及干扰元素的分离等情况选择适当的分解方法，学会基于被测试样中钴含量的高低不同以及对分析结果准确度的要求不同而选用适当的方法，能正确填写样品流转单。

任务分析

一、钴的性质

1.物理性质

钴（Co），原子序数是27 ，相对原子质量58.93，密度8.9g/cm3，熔点1495℃ ，沸点2930℃，具有光泽的钢灰色金属，比较硬而脆。钴是铁磁性的，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质、电化学行为方面，与铁和镍相类似，属于铁系元素。加热到1150℃时磁性消失。

2.化学性质

钴的化合价为＋2价和＋3价。在常温下不和水作用，在潮湿的空气中也很稳定。一般情况下与氧、硫、氯等非金属不起作用，但在高温下发生氧化作用，与氧、硫、氯、溴等发生剧烈反应，生成相应化合物。在空气中加热至300℃以上时氧化生成CoO，在白热时燃烧成Co3O4 。氢还原法制成的细金属钴粉在空气中能自燃生成氧化钴。

由电极电势看出，钴是中等活泼的金属。其化学性质与铁、镍相似。

钴可溶于稀酸中，在发烟硝酸中因生成一层氧化膜而被钝化，在浓硝酸中反应激烈，在盐酸和硫酸中反应很缓慢，钴会缓慢地被氢氟酸、氨水和氢氧化钠侵蚀。钴在碱溶液中比铁稳定，钴是两性金属。

二、钴元素在地壳中的分布、赋存状态及其钴矿石的分类

钴在地壳中含量为23×10-6，很少有较大的钴矿床，明显比铁少得多，而且钴和铁的熔点不相上下，因此注定它比铁发现得晚。1735 年，瑞典的布朗特在煅烧钴矿时得到钴。

Co（Ⅱ）的化合物有氧化钴、氢氧化钴、氯化钴、硫酸钴、碳酸钴、草酸钴等；Co（Ⅲ）的化合物有氧化高钴；钴的配合物有氨配合物（［Co（NH3）6］3＋、氰配合物［Co（CN）6］4-、硫氰配合物［Co（SCN）4］2-、羰基配合物［Co（CO）4］- 、硝基［Co（NO3）4］2-或亚硝基配合物［Co（NO2）6］3-。

钴在矿物中与砷和硫结合，主要矿物有硫钴矿Co3S4，含钴57.99%；砷钴矿CoAS2，含钴28.20%；辉砷钴矿CoAsS ，含钴35.50%；硫铜钴矿CuCo2S4，含钴38.06%；钴黄铁矿（Fe，Co ）S2，含钴32.94%；方钴矿 CoAS3 ，含钴20.77%；钴土矿 CoMn2O5· 4H2O，含钴 18.37%；钴华 Co（AsO4）3·8H2O，含钴 9.51%；菱钴矿 CoCO3 ，含钴49.55%；赤矾CoSO4，含钴20.97% 。

单独的钴矿床一般为砷化钴、硫化钴和钴土矿三种，前两种的工业要求大体相同。硫化矿（包括砷化矿）中的钴边界品位达0.02%、工业品位为0.03%～0.06%；钴土矿中的钴边界品位为0.30% ，工业品位为0.50%。

与钴共存的元素主要为铁和镍。矿石中的铜、镍作为伴生元素回收。对于伴生的其他元素，也应查明含量及赋存状态以便考虑能否综合利用。

三、钴矿石的分解方法

钴矿试样一般可用盐酸和硝酸分解，必要时可用焦硫酸钾和碳酸钠熔融。如试样为硅酸盐时，可加氟化物或氢氟酸助溶。不被氢氟酸分解的含钴矿石，可以用过氧化钠或氢氧化钠-硝酸钾熔融。

砷钴矿试样需要用硝酸和硫酸加热到冒烟使其分解。当试样中含有大量硫或砷时，宜先灼烧除去大部分的硫或砷，然后再用盐酸或王水分解。

四、钴的分离富集方法

钴没有简便而选择性好的分离方法。目前常用的分离方法主要有氨水沉淀法、1-亚硝基-2-萘酚沉淀法、铜铁试剂沉淀法、萃取分离法、离子交换法等。

氨水沉淀法是在铵盐存在下，用氨水将溶液 pH 调至8～9，Hg2＋、Be2＋、Fe3＋、Al3＋、Cr（Ⅲ）、Bi3＋、Sb3＋、Sn4＋、Ti4＋、Zr4＋、Hf4＋、Th4＋、Mn4＋、Nb5＋、Ta5＋、U（Ⅵ）及稀土离子定量沉淀，Mn2＋、Fe2＋、Pb2＋部分沉淀，Ca2＋、Sr2＋、Ba2＋、Mg2＋、Co2＋、Ag＋、Cu2＋、Cd2＋、Ni2＋、Zn2＋留于溶液中。

在稀盐酸溶液中，用1-亚硝基-2-萘酚沉淀钴，是较完全的，但不能用作分离方法。因铁、铜、铋、银、铬、锆、钛、钼、钒、锡和硝酸等都有干扰。铝、铍、铅、镉、锰、镍、汞、砷、锑、锌、钙、镁和磷则不干扰。用氧化锌可以沉淀铝、钛、钒、铬、铁、砷、锆、锡、钨、铀、磷和大部分铜、铝、硅。所以用1 -亚硝基-2 -萘酚沉淀钴之前，常用氧化锌分离干扰元素。但用氧化锌沉淀分离干扰元素，常须沉淀二次或三次，这样就使1-亚硝基-2-萘酚沉淀钴的方法失去优越性。

铜铁试剂在酸性溶液中，定量沉淀Fe、Ti、Zr 、V（Ⅴ）、U（Ⅳ）、Sn（Ⅳ）、Nb和Ta，可与Al、Cr、Mn、Ni 、Co、Zn、Mg和P分离。铜铁试剂沉淀可用四氯化碳萃取除去。因铜铁试剂不影响1-亚硝基-2-萘酚沉淀钴，故铜铁试剂分离可与1-亚硝基-2-萘酚沉淀钴结合应用。

用亚硝酸钾使钴成亚硝酸钴钾沉淀，是一较实用的分离钴的方法。虽然沉淀的溶解度较大，与大量镍的分离不完全，沉淀不能作为称量形式等都是缺点，但此方法选择性较高，能使几毫克钴与大量铁、铜、镍，铝、锑、铋、镉、铬、锰、铝、钛、锡、钨、铌、钽、钒、锌和锆等元素分离。砷的干扰可预先挥发除去。钙、锶、钡、铅可以硫酸盐形式除去。KNO2沉淀法是在乙酸溶液中，钴与KNO2形成亚硝酸钴钾（K3［Co（NO2）6］）沉淀，在酒石酸存在下，Ni、Cr 、Al、Fe、Ti 、Zr ，Nb、Ta、W 、Mo及硫化氢组元素不干扰，Ca、Sr、Ba、Pb干扰此法自Ni中分离的Co，可以硫酸盐形式沉淀除去。沉淀并不纯净，可能夹带有W 、Ni、Fe等元素。

萃取分离钴的方法很多，但多数选择性不高。

用丙酮∶水∶盐酸＝34∶4∶2（体积之比）混合溶液为展开剂，用纸色谱可使钴与铁、钛、铜、锰、锌、铬、镍、钒和铀等元素分离。此方法已应用于矿石分析。

1-亚硝基-2-萘酚萃取法是在pH＝3～7介质中，钴与试剂形成橙红色配合物，用苯定量萃取，大量Fe3＋用氟化物掩蔽，加入柠檬酸盐可防止其他金属离子水解。在配合物形成后，再提高酸度，Ni 、Cu、Cr、Fe等配合物立即被破坏，而钴配合物仍稳定，从而提高萃取的选择性。方法可用于痕量钴的萃取分离。钴的硫氰酸盐二安替比林配合物可被MIBK定量萃取。Co（Ⅱ）-PAN的配合物也能被三氯甲烷萃取。

介质为HCl（3＋1）的试液通过强碱性阴离子交换柱，Cu 、Zn、Fe的氯阴离子被吸附于柱上，Ni、Mn、Cr流出。然后用HCl（1＋2）洗脱钴，Cu 、Zn、Fe仍留于柱上。

五、钴的测定方法

目前仍在用的测定钴的方法有容量法、极谱法、光度法、原子吸收光谱法和等离子体发射光谱法等。

矿石中钴的含量一般较低，经常应用比色法进行测定。钴的比色法很多，最常用的有亚硝基-R-盐（亚硝基红盐）和2-亚硝基-1-萘酚萃取比色法。其他有硫氰酸盐法、5-Cl-PADAB光度法和PAR比色法、过氧化氢-EDTA比色法等。

亚硝基-R-盐（亚硝基红盐）比色法的优点是在一般情况下不需分离铁、铜、镍等元素而直接进行测定；简便、快速，准确度也较高。采用差示比色，可测定高含量钴。2-亚硝基-1-萘酚法由于经过萃取，有较高的灵敏度，适用于铜镍矿中钴的测定。硫氰酸盐法由于铜和铁的干扰，需要掩蔽或分离，目前应用较少。过氧化氢-EDTA比色法是在pH＝8的氨性溶液中，用过氧化氢将钴氧化至三价与EDTA生成紫红色配合物，借以比色测定高含量钴。10mg Fe，12mg Mn，5mg Cu或Ni ，1gmgSO4及2g NaCl均不干扰钴的测定。

用三氯甲烷萃取钴与二安替比林甲烷-硫氰酸盐形成的三元配合物，使钴与大量铜、镍分离后，再用PAR比色法测定钴。此法灵敏度较高，适用于组成复杂的试样中或大量铜、镍存在下微克量钴的测定。

对高含量钴的测定宜采用容量法。容量法有EDTA法、电位滴定法和碘量法。EDTA法由于铜、镍、铁、铝、锌等共存离子的干扰，须用亚硝酸钴钾或其他方法将钴与干扰元素分离后再进行滴定。

1.亚硝基-R-盐（亚硝基红盐）比色法

在pH＝5.5～7.0的醋酸盐缓冲溶液中，钴与亚硝基-R-盐（1-亚硝基-2萘酚-3 ，6-二磺酸钠）形成可溶性红色配合物。

2.电位滴定法

在氨性溶液中，加入一定量的铁氰化钾，将Co（Ⅱ）氧化为Co（Ⅲ），过量的铁氰化钾用硫酸钴溶液滴定，按电位法确定终点。其反应式如下：

岩石矿物分析

本法适用于含1.0% 以上钴的测定。

3.EDTA容量法

钴与EDTA形成中等稳定的配合物（lgK＝16.3）。能在pH为4～10范围内应用不同的指示剂进行钴的配位滴定。

铁、铝、锰、镍、铜、铅、锌等金属离子干扰测定，因此必须将它们除去或掩蔽。对于只含铁、铜、钴等较单纯的试样，可用氟化物掩蔽铁、硫脲掩蔽铜而直接进行测定。多金属矿则应在乙酸介质中，用亚硝酸钾沉淀钴与其他干扰元素分离后，再进行测定。

常用的滴定方法有：以PAN ［1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚］为指示剂，用铜盐溶液回滴；以二甲酚橙为指示剂，用EDTA标准溶液滴定被钴所置换出的EDTA-锌中的锌。

使用PAN作指示剂铜盐回滴法时，所加的EDTA量可根据钴量而稍微过量，这样终点更加明显。在常温下反应较慢，应在70℃至近沸状态下进行滴定。加入有机溶剂（甲醇、异丙醇等），可使终点颜色变化敏锐。

以二甲酚橙为指示剂，不能用EDTA标准溶液直接滴定。因为铁、铝、铜、钴和镍等能封闭二甲酚橙，虽然用三乙醇胺能掩蔽痕量的铁、铝，用邻啡罗啉能抑制铜、钴对二甲酚橙的封闭作用，但还不够理想，故改用置换滴定法，以克服这一缺点。

本法适用于含0.5% 以上钴的测定。

4.原子吸收光谱法

每毫升溶液中，含10mg铁，9mg镍，40mg锡，3mg银，0.8mg铝，0.64mg钒、铝、钛，0.6mg铬，6.4mg 钠，0.4mg 钾，0.2mg 铜，0.16mg 锰，0.1mg 砷、锑，40μg 镁，80μg锶、磷，80μg 钨，50μg 铅，48μg 钡，40μg 锌、镉、铋、钙，23μg 铍均不干扰测定。二氧化硅含量超过40μg/mL干扰测定，当加入高氯酸冒烟处理后，含量达0.8mg/mL亦不干扰测定。小于15%（体积分数）硝酸，小于5%（体积分数）盐酸、硫酸不影响测定，高氯酸含量达16%（体积分数）亦不影响测定。磷酸严重干扰测定。

方法灵敏度为0.085μg/mL（1% 吸收），最佳测定范围为2～10μg/mL。

本法适用于镍矿及铁矿中钴的测定。

5.碘量法

Co（Ⅱ）在含有硝酸铵的氨性溶液（pH为9～10）中能被碘氧化成Co（Ⅲ），并与碘生成稳定的硝酸-碘五氨络钴的绿色沉淀。过量的碘以淀粉作指示剂，用亚砷酸钠标准溶液滴定。其反应式如下；

岩石矿物分析

铁、铝在氨性溶液中能生成氢氧化物沉淀且易吸附钴，同时铁的氢氧化物又影响终点的判断，加入柠檬酸铵-焦磷酸钠混合溶液可消除100mg以下铁、铝的干扰。2mg锰的影响测定，铜、镍、镉、锌在100mg以下不干扰。

本法适用于5% 以上钴的测定。

6.ICP-AES法

ICP-AES法（等离子体发射光谱法）可以同时测定样品中多元素的含量。当氩气通过等离子体火炬时，经射频发生器所产生的交变电磁场使其电离、加速并与其他氩原子碰撞。这种连锁反应使更多的氩原子电离形成原子、离子、电子的粒子混合气体——等离子体。等离子体火炬可达6000～8000 K的高温。过滤或消解处理过的样品经进样器中的雾化器被雾化并由氩载气带入等离子体火炬中，气化的样品分子在等离子体火炬的高温下被原子化、电离、激发。不同元素的原子在激发或电离时发射出特征光谱，所以等离子体发射光谱可用来定性样品中存在的元素。特征光谱的强弱与样品中原子浓度有关与标准溶液进行比较，即可定量测定样品中各元素的含量。

含钴矿样经过盐酸、硝酸分解后，在选定的测量条件下以ICP-AES测定溶液中的Cu、Pb、Zn 、Co、Ni等元素的含量。

本法适用于0.10%～20.00% 之间钴的测定。

六、钴矿石的分析任务及其分析方法的选择

在生产实践中，因不同的钴矿产品所含杂质元素的组成不同，考虑到其对生产工艺的影响，在对钴矿样进行检验时，对杂质元素的检测也要选择合适的方法进行测定。

对于主品位钴的测定，如果样品中钴含量低于1.00% 以下，一般采用光度法测定，现在通常使用的方法是亚硝基-R-盐光度法，该方法稳定可靠，样品经过处理以后可以直接进行测定。钴含量超过1.00% 时，将样品适当处理以后，可以使用电位滴定法测定，该方法特别适用于含钴量比较高的矿物。

钴矿石中的常见钙、镁、铅、锌、镉、铜等元素含量低时可以采用原子吸收法进行测定，含量高时可以使用EDTA滴定法测定；高含量铜亦可用碘量法进行氧化还原滴定；铁可以用磺基水杨酸光度法或重铬酸钾容量法进行测定；铝一般用铬天青光度法测定；二氧化硅用硅钼蓝光度法测定；镍用丁二酮肟光度法测定；磷、砷可用钼蓝光度法测定。其他元素一般在矿物中含量不高，对生产的影响不大，在作为原料检测时可以酌情考虑是否需要检测。

技能训练

实战训练

1.学生实训时按每组5～8人分成几个小组。

2.每个小组进行角色扮演，利用所学知识并上网查询相关资料，完成钴矿石委托样品从样品验收到派发样品检验单工作。

3.填写附录一中质量表格1、表格2 。

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