Question

13．以黄铜矿精矿为原料，制取硫酸铜及金属铜的工艺如下所示：

Ⅰ．将黄铜矿精矿（主要成分为CuFeS₂，含有少量CaO、MgO、Al₂O₃）粉碎
Ⅱ．采用如下装置进行电化学浸出实验
将精选黄铜矿粉加入电解槽阳极区，恒速搅拌，使矿粉溶解．在阴极区通入氧气，并加入少量催化剂．
Ⅲ．一段时间后，抽取阴极区溶液，向其中加入有机萃取剂（RH）发生反应：2RH（有机相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有机相）+2H⁺（水相）分离出有机相，向其中加入一定浓度的硫酸，使Cu²⁺得以再生．
Ⅳ．电解硫酸铜溶液制得金属铜．
（1）黄铜矿粉加入阳极区与硫酸及硫酸铁主要发生以下反应：
CuFeS₂+4H⁺=Cu²⁺+Fe²⁺+2H₂S    
2Fe³⁺+H₂S=2Fe²⁺+S↓+2H⁺
①阳极区硫酸铁的主要作用是吸收硫化氢气体，防止环境污染．
②电解过程中，阳极区Fe³⁺的浓度基本保持不变，原因是Fe²⁺在阳极放电Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺．
（2）阴极区，电极上开始时有大量气泡产生，后有固体析出，一段时间后固体溶解．写出上述现象对应的反应式2H⁺+2e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O；．
（3）若在实验室进行步骤Ⅲ，分离有机相和水相的主要实验仪器是分液漏斗；加入有机萃取剂的目的是富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子．
（4）步骤Ⅲ，向有机相中加入一定浓度的硫酸，Cu²⁺得以再生的原理是增大H⁺浓度，使平衡2RH（有机相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有机相）+2H⁺（水相）逆向移动，Cu²⁺进入水相得以再生．
（5）步骤Ⅳ，若电解200mL0.5mol/L的CuSO₄溶液，生成铜3.2g，此时溶液中离子浓度由大到小的顺序是c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．（忽略电解前后溶液体积的变化）

Answer 1

分析 （1）①硫化氢有毒，直接排放会污染空气；
②Fe³⁺被还原Fe²⁺，Fe²⁺在阳极放电又生成Fe³⁺；
（2）首先氢离子放电生成氢气，反应一段时间，铜离子放电生成铜，再通入氧气的条件下Cu、氧气、硫酸反应生成硫酸铜；
（3）有机相和水相不互溶，分离有机相和水相通常利用分液的方法，使用的仪器为分液漏斗；
加入有机萃取剂富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子；
（4）增大氢离子浓度，根据平衡移动原理分析；
（5）电解uSO₄溶液，发生反应2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成铜3.2g，物质的量为$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.1mol，溶液中CuSO₄为0.1mol-0.05mol=0.05mol，电解后的溶液为CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液中存在硫酸的电离、铜离子水解、水的电离等，据此判断．

解答 解：（1）①由发生的反应可知，Fe³⁺氧化吸收硫化氢气体，防止环境污染，
故答案为：吸收硫化氢气体，防止环境污染；
②Fe³⁺被还原Fe²⁺，Fe²⁺在阳极放电Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺，电解过程中，阳极区Fe³⁺的浓度基本保持不变，
故答案为：Fe²⁺在阳极放电Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺；
（2）首先氢离子放电生成氢气，反应一段时间，铜离子放电生成铜，再通入氧气的条件下Cu、氧气、硫酸反应生成硫酸铜，发生的反应依次为：2H⁺+2 e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O，
故答案为：2H⁺+2 e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O；
（3）有机相和水相不互溶，分离有机相和水相通常利用分液的方法，使用的仪器为分液漏斗；
加入有机萃取剂富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子；
故答案为：分液漏斗；富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子；
（4）向有机相中加入一定浓度的硫酸，增大H⁺浓度，使平衡2RH（有机相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有机相）+2H⁺（水相）逆向移动，Cu²⁺进入水相得以再生，
故答案为：增大H⁺浓度，使平衡2RH（有机相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有机相）+2H⁺（水相）逆向移动，Cu²⁺进入水相得以再生；
（5）电解uSO₄溶液，发生反应2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成铜3.2g，物质的量为$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.05mol，溶液中CuSO₄为0.1mol-0.05mol=0.05mol，电解后的溶液为CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液呈酸性，溶液中铜离子水解、水发生电离，故n（H⁺）＞0.05mol×2=0.1mol，n（SO₄^2-）=0.1mol，n（Cu²⁺）＜0.05mol，溶液中氢氧根浓度很小，故c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-），
故答案为：c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．

点评 本题考查电解原理、对工艺原理的理解、常用化学用语、离子浓度比较等，题目综合性较大，是对所学知识的综合考查，需要学生具有知识的基础与分析、解决问题的能力，难度中等，（5）中注意根据物质的量判断离子大小．