Question

13．以黃銅礦精礦為原料，制取硫酸銅及金屬銅的工藝如下所示：

Ⅰ．將黃銅礦精礦（主要成分為CuFeS₂，含有少量CaO、MgO、Al₂O₃）粉碎
Ⅱ．采用如下裝置進(jìn)行電化學(xué)浸出實驗
將精選黃銅礦粉加入電解槽陽極區(qū)，恒速攪拌，使礦粉溶解．在陰極區(qū)通入氧氣，并加入少量催化劑．
Ⅲ．一段時間后，抽取陰極區(qū)溶液，向其中加入有機(jī)萃取劑（RH）發(fā)生反應(yīng)：2RH（有機(jī)相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有機(jī)相）+2H⁺（水相）分離出有機(jī)相，向其中加入一定濃度的硫酸，使Cu²⁺得以再生．
Ⅳ．電解硫酸銅溶液制得金屬銅．
（1）黃銅礦粉加入陽極區(qū)與硫酸及硫酸鐵主要發(fā)生以下反應(yīng)：
CuFeS₂+4H⁺=Cu²⁺+Fe²⁺+2H₂S    
2Fe³⁺+H₂S=2Fe²⁺+S↓+2H⁺
①陽極區(qū)硫酸鐵的主要作用是吸收硫化氫氣體，防止環(huán)境污染．
②電解過程中，陽極區(qū)Fe³⁺的濃度基本保持不變，原因是Fe²⁺在陽極放電Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺．
（2）陰極區(qū)，電極上開始時有大量氣泡產(chǎn)生，后有固體析出，一段時間后固體溶解．寫出上述現(xiàn)象對應(yīng)的反應(yīng)式2H⁺+2e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O；．
（3）若在實驗室進(jìn)行步驟Ⅲ，分離有機(jī)相和水相的主要實驗儀器是分液漏斗；加入有機(jī)萃取劑的目的是富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子．
（4）步驟Ⅲ，向有機(jī)相中加入一定濃度的硫酸，Cu²⁺得以再生的原理是增大H⁺濃度，使平衡2RH（有機(jī)相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有機(jī)相）+2H⁺（水相）逆向移動，Cu²⁺進(jìn)入水相得以再生．
（5）步驟Ⅳ，若電解200mL0.5mol/L的CuSO₄溶液，生成銅3.2g，此時溶液中離子濃度由大到小的順序是c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．（忽略電解前后溶液體積的變化）

Answer 1

分析 （1）①硫化氫有毒，直接排放會污染空氣；
②Fe³⁺被還原Fe²⁺，F(xiàn)e²⁺在陽極放電又生成Fe³⁺；
（2）首先氫離子放電生成氫氣，反應(yīng)一段時間，銅離子放電生成銅，再通入氧氣的條件下Cu、氧氣、硫酸反應(yīng)生成硫酸銅；
（3）有機(jī)相和水相不互溶，分離有機(jī)相和水相通常利用分液的方法，使用的儀器為分液漏斗；
加入有機(jī)萃取劑富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子；
（4）增大氫離子濃度，根據(jù)平衡移動原理分析；
（5）電解uSO₄溶液，發(fā)生反應(yīng)2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成銅3.2g，物質(zhì)的量為$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.1mol，溶液中CuSO₄為0.1mol-0.05mol=0.05mol，電解后的溶液為CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液中存在硫酸的電離、銅離子水解、水的電離等，據(jù)此判斷．

解答 解：（1）①由發(fā)生的反應(yīng)可知，F(xiàn)e³⁺氧化吸收硫化氫氣體，防止環(huán)境污染，
故答案為：吸收硫化氫氣體，防止環(huán)境污染；
②Fe³⁺被還原Fe²⁺，F(xiàn)e²⁺在陽極放電Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺，電解過程中，陽極區(qū)Fe³⁺的濃度基本保持不變，
故答案為：Fe²⁺在陽極放電Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺；
（2）首先氫離子放電生成氫氣，反應(yīng)一段時間，銅離子放電生成銅，再通入氧氣的條件下Cu、氧氣、硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，發(fā)生的反應(yīng)依次為：2H⁺+2 e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O，
故答案為：2H⁺+2 e^-=H₂↑、Cu²⁺+2e^-=Cu、2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O；
（3）有機(jī)相和水相不互溶，分離有機(jī)相和水相通常利用分液的方法，使用的儀器為分液漏斗；
加入有機(jī)萃取劑富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子；
故答案為：分液漏斗；富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子；
（4）向有機(jī)相中加入一定濃度的硫酸，增大H⁺濃度，使平衡2RH（有機(jī)相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有機(jī)相）+2H⁺（水相）逆向移動，Cu²⁺進(jìn)入水相得以再生，
故答案為：增大H⁺濃度，使平衡2RH（有機(jī)相）+Cu²⁺（水相）?R₂Cu（有機(jī)相）+2H⁺（水相）逆向移動，Cu²⁺進(jìn)入水相得以再生；
（5）電解uSO₄溶液，發(fā)生反應(yīng)2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成銅3.2g，物質(zhì)的量為$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.05mol，溶液中CuSO₄為0.1mol-0.05mol=0.05mol，電解后的溶液為CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液呈酸性，溶液中銅離子水解、水發(fā)生電離，故n（H⁺）＞0.05mol×2=0.1mol，n（SO₄^2-）=0.1mol，n（Cu²⁺）＜0.05mol，溶液中氫氧根濃度很小，故c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-），
故答案為：c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．

點評 本題考查電解原理、對工藝原理的理解、常用化學(xué)用語、離子濃度比較等，題目綜合性較大，是對所學(xué)知識的綜合考查，需要學(xué)生具有知識的基礎(chǔ)與分析、解決問題的能力，難度中等，（5）中注意根據(jù)物質(zhì)的量判斷離子大小．