Question

以黄铜矿精矿为原料，制取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．采用如图所示装置进行电化学浸出实验。将精选黄铜矿粉加入电解槽的阳极区，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⁺ ，阳极区硫酸铁的主要作用是                                   。（2）阴极区，电极上开始时有大量气泡产生，后有红色固体析出，一段时间后红色固体溶解。写出析出红色固体的反应方程式                        。
（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               。
（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

（1）吸收硫化氢气体，防止环境污染（表述合理即可得分） （1分）
（2）Cu²⁺+2e^–＝Cu  （2分）  （3）分液漏斗 （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  （2分）  （5）c(H⁺)＞c(SO₄^2–)＞c(Cu²⁺)＞c(OH^–)  （2分）

试题分析：（1）反应CuFeS₂ + 4H⁺＝Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂S↑中有H₂S气体产生，H₂S有毒属于大气污染物。根据反应2Fe³⁺ + H₂S＝2Fe²⁺ + S↓+ 2H⁺ 可知，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）电解池中阴极得到电子，发生还原反应。阴极析出红色固体，说明该红色固体是铜，因此电极反应式为Cu²⁺+2e^–＝Cu。
（3）有机物不溶于水，分液即可，所以分离有机相和水相的主要实验仪器是分液漏斗。
（4）加入硫酸，增大溶液中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）200mL0.5 mol/L的CuSO₄溶液中硫酸铜的物质的量＝0.2L×0.5mol/L＝0.1mol，生成铜3.2 g，物质的量＝3.2g÷64g/mol＝0.05mol。这说明反应中硫酸铜还有0.05mol没有被电解。根据方程式2CuSO₄＋2H₂O2Cu＋2H₂SO₄＋O₂↑可知，溶液中还生成0.05mol硫酸。由于铜离子水解，则溶液中离子浓度大小顺序是）c(H⁺)＞c(SO₄^2–)＞c(Cu²⁺)＞c(OH^–)。