题目

题型：不详难度：来源：

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)＋Cu^2＋(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Cu^2＋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^＋=Cu^2＋＋Fe^2＋＋2H₂S
2Fe^3＋＋H₂S=2Fe^2＋＋S↓＋2H^＋
①阳极区硫酸铁的主要作用是____________。
②电解过程中，阳极区Fe^3＋的浓度基本保持不变，原因是______________________。
（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____________________。
（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__________；加入有机萃取剂的目的是__________。
（4）步骤Ⅲ，向有机相中加入一定浓度的硫酸，Cu^2＋得以再生的原理是____________。
（5）步骤Ⅳ，若电解200 mL 0.5 mol·L^－1的CuSO₄溶液，生成铜3.2 g，此时溶液中离子浓度由大到小的顺序是__________。

答案

（1）①吸收硫化氢气体，防止环境污染
②Fe^2＋－e^－=Fe^3＋
（2）2H^＋＋2e^－=H₂↑、Cu^2＋＋2e^－=Cu、2Cu＋O₂＋2H₂SO₄=2CuSO₄＋2H₂O
（3）分液漏斗　富集Cu^2＋、分离Cu^2＋与其它金属阳离子
（4）增大H^＋浓度，使平衡2RH(有机相)＋Cu^2＋(水相)R₂Cu(有机相)＋2H^＋(水相)逆向移动，Cu^2＋进入水相得以再生
（5）c(H^＋)＞c(SO₄^2-)＞c(Cu^2＋)＞c(OH^－)

解析

（1）根据2Fe^3＋＋H₂S=2Fe^2＋＋S↓＋2H^＋，可判断Fe₂(SO₄)₃的主要作用是氧化H₂S气体，防止H₂S对环境的污染，当Fe^3＋被H₂S还原为Fe^2＋后，在阳极上Fe^2＋－e^－=Fe^3＋，使Fe^3＋的浓度基本保持不变。
（2）在阴极上，2H^＋＋2e^－=H₂↑，然后Cu^2＋＋2e^－=Cu，接着在酸性条件下，Cu被O₂氧化成CuO，CuO和H₂SO₄反应生成CuSO₄。
（3）有机相和水相不混溶，所以应用分液漏斗分离，由于Cu^2＋在有机相中，所以加入有机萃取剂可富集Cu^2＋。
（4）利用化学平衡移动原理解释。
（5）2CuSO₄＋2H₂O2Cu＋2H₂SO₄＋O₂↑
0.05 mol  0.05 mol
所以n(H^＋)＝0.1 mol
由于Cu^2＋的水解，所以n(Cu^2＋)＜0.05 mol，n(H^＋)＞0.1 mol。
所以c(H^＋)＞c(SO₄^2-)＞c(Cu^2＋)＞c(OH^－)。