Question

5．硫酸铜在化工和农业方面有很广泛的用处，某化学兴趣小组查阅资料，用两种不同的原料制取硫酸铜．
方式一：一种含铜的矿石（硅孔雀石矿粉），含铜形态为CuCO₃•Cu（OH）₂和CuSiO₃•2H₂O（含有SiO₂、FeCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等杂质）．以这种矿石为原料制取硫酸铜的工艺流程如图：

请回答下列问题：
（1）完成步骤①中稀硫酸与CuSiO₃•2H₂O发生反应的化学方程式CuSiO₃•2H₂O+H₂SO₄=CuSO₄+H₄SiO₄+H₂O；
（2）步骤②调节溶液pH选用的最佳试剂是A
A．CuOB．MgO       C．FeCO₃D NH₃•H₂O
（3）有关氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

氢氧化物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Cu（OH）2
开始沉淀的pH	3.3	1.5	6.5	4.2
沉淀完全的pH	5.2	3.7	9.7	6.7

由上表可知：当溶液pH=4时，不能完全除去的离子是Al³⁺．
（4）滤液B通过蒸发浓缩（设体积浓缩为原来的一半）、冷却结晶可以得到CuSO₄•5H₂O晶体．某同学认为上述操作会伴有硫酸铝晶体的析出．请你结合相关数据对该同学的观点予以评价（已知常温下，Al₂（SO₄）₃饱和溶液中C（Al³⁺）=2.25mol•L^-1，K_sp[Al（OH）₃]=3.2×10^-34）错误（填“正确”或“错误”）．
方式二：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．采用如图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．
（5）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⁺
电解过程中，阳极区Fe³⁺的浓度基本保持不变，原因是Fe²⁺-e^-=Fe³⁺（用电极反应式表示）．
（6）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．
（7）步骤Ⅳ，若电解0.1mol 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^-）．

Answer 1

分析 硅孔雀石是一种含铜矿石，含铜形态为CuCO₃•Cu（OH）₂和CuSiO₃•2H₂O，同时含有SiO₂、FeCO₃、Fe₂O₃、A1₂O₃等杂质，硅孔雀石矿粉加入稀硫酸溶解，加入过氧化氢氧化亚铁离子浸取后过滤，得到滤渣主要为SiO₂、H₂SiO₃，滤液A在含有Cu²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、H⁺，加入铜的化合物调节溶液PH=4使铁离子全部沉淀，此时铝离子有部分沉淀，过滤得到滤液B主要是硫酸铜溶液，含有少量硫酸铝和硫酸溶液，通过蒸发浓缩蒸发，冷却结晶得到硫酸铜晶体；
方法一：（1）反应前后遵循原子守恒、质量守恒定律，未知物应该是原硅酸，利用观察法配平反应方程式即可；
（2）滤液A显示酸性，加入的试剂不能引进新的杂质进行分析，调节溶液PH=4使铁离子全部沉淀；
（3）氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH列表进行分析PH=4完全沉淀、铝离子不沉淀；
（4）根据氢氧化铝的溶度积解及溶液的pH=4，计算出铝离子的浓度，再进行判断是否有硫酸铝析出；
方法二：（5）Fe³⁺被还原Fe²⁺，Fe²⁺在阳极放电又生成Fe³⁺；
（6）增大氢离子浓度，根据平衡移动原理分析；
（7）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：方法一：（1）利用质量守恒定律，可以判断未知物是硅酸，利用观察法配平反应方程式为：CuSiO₃•2H₂O+H₂SO₄═CuSO₄+H₄SiO₄+H₂O，
故答案为：H₄SiO₄；
（2）由于滤液A显示酸性，加入的试剂能够中和溶液中的氢离子，还不能引进新的杂质，所以应该选用A氧化铜，故选A，
故答案为：A；
（3）有表中数据可知，pH=4时，三价铁离子完全生成了氢氧化铁沉淀，而铝离子完全沉淀需要的PH是5.2，所以铝离子没有完全沉淀，
故答案为：Al³⁺；
（4）PH=4时，溶液中的氢氧根离子的浓度为：1×10^-10mol/L，溶液中铝离子浓度为：$\frac{3.2×1{0}^{-34}}{（1×1{0}^{-10}）^{3}}$mol/L=3.2×10^-4mol/L，浓缩后c（Al³⁺）=6.4×10^-4mol/L＜＜2.25mol/L，所以不会有硫酸铝晶体析出，
故答案为：错误；
方法二：
（5）Fe³⁺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⁺-e^-=Fe³⁺；
（6）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；
（7）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 本题借助硅孔雀石为原料制取硫酸铜的工艺流程，考查了化学方程式书写、误差分析、化学计算，电解原理、对工艺原理的理解、常用化学用语、离子浓度比较等等知识，可以根据所学知识完成，本题难度中等．