Question

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       。
② 电解过程中，阳极区Fe³⁺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，Cu²⁺得以再生的原理是       。
（5）步骤Ⅳ，若电解200mL0.5 mol/L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       。

Answer 1

(16分)
（1）①吸收硫化氢气体，防止环境污染（1分）
②Fe²⁺- e^－→Fe³⁺（1分）
（2）2H⁺+2 e^－→H₂↑  Cu²⁺+2e^－→Cu     2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O（各1分）
（3）分液漏斗 （1分）
富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子 （2分，每个要点1分）
（4）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（1分）
（5） c(H⁺)>c(SO₄^2-)>c(Cu²⁺)>c(OH^-)（2分）

解析试题分析：
（1）根据反应：CuFeS₂ + 4H^＋ = Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂S    2Fe³⁺ + H₂S = 2Fe²⁺ + S↓+ 2H^＋①可知硫酸铁作用为吸收硫化氢气体，防止环境污染；②吸收硫化氢气体要消耗Fe³⁺ ，而其浓度不变必须Fe²⁺在阳极放电：Fe²⁺- e^－→Fe³⁺。
（2）根据题中现象和离子放电规律可知：2H⁺+2 e^－→H₂↑ 
Cu²⁺+2e^－→Cu     2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O（各1分）
（3）分离互不相容的液体要使用分液漏斗 ；
萃取的作用在于富集Cu²⁺，分离Cu²⁺与其它金属阳离子。
（4）根据题意可知：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200mL0.5 mol/L的CuSO₄溶液，生成铜3.2 g时，相当于等浓度的CuSO₄和硫酸的混合液，其中Cu²⁺部分水解，得c(H⁺)>c(SO2- 4)>c(Cu²⁺)>c(OH^-)。
考点：考查元素及其化合物、电化学、化学实验、离子浓度判断等相关知识。