Question

【题目】某小组以黄铜矿(主要成分为 CuFeS2，含少量SiO2等杂质)为原料制备铜化工产品CuAlO2的一种工艺如下：

已知①过滤1所得滤液中含金属离子有：Cu2+、Fe2+和Fe3+，滤渣1的主要成分是SiO2和S；

②Cu(OH)2+4NH3·H2O=[Cu(NH3)4]2++2OH-+4H2O。

(1)从产品纯度、环保操作方便等角度考虑，试剂A、B的最佳组合是__________(填代号)

	a	b	c	d
A	HNO3	NaClO	H2O2 (酸化)	H2O2 (酸化)
B	Cu(OH)2	NaOH	氨水	Cu(OH)2 CO3

(2)铵明矾的化学式为NH4Al(SO4)2·12H2O，它为制备铜的化工产品提供铝源。铵明矾溶液中NH4+、A13+、H+、OH-、SO42－浓度大小排序为_______________。

(3)过滤3得到A1(OH)3和Cu(OH)2，写出“灼烧”发生化学反应的方程式：_________________。

(4)单位时间内“浸取”Cu2+的百分率(称为浸出率)与溶液浓度、温度关系如下图所示。

在20℃时，1L溶液中有效碰撞总次数：x_________y(填“>”“<”或“=”)。相同浓度下，温度高于30℃，“浸出率”降低的主要原因是_________________。

(5)以铜、石墨为电极，电解“过滤1”所得溶液制备铜，铜的质量与通电时间关系如上图所示。写出OA段阴极的反应方程式：___________________________。

(6)常温下，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38。加入试剂B调节pH=3时c(Fe3+)=_________mol/L

Answer 1

【答案】d c(SO42-)>c(NH4+)>c(Al3+)>c(H+)>c(OH-) 4Al(OH)3+4Cu(OH)24CuAlO2+10H2O↑+O2↑ < 相同浓度、温度过高，Fe3+水解程度增大，Fe3+浓度减小 Fe3++e-=Fe2+ 4×10-5

【解析】

黄铜矿(主要成分为CuFeS2)用FeCl3溶液氧化产生CuCl2、FeCl2、S单质，向溶解后的溶液中加入CuCl2、FeCl2、FeCl3氧化剂，可以将FeCl2氧化为FeCl3，然后加入一种物质既可以提高溶液的pH使Fe3+形成Fe(OH)3沉淀，又不引入杂质离子，然后向含有CuCl2溶液在加入铵明矾、NaOH，Al(OH)3、Cu(OH)2及Na2SO4、NaCl，然后将Al(OH)3、Cu(OH)2的混合物加热发生反应产生CuAlO2、H2O、O2，据此分析解答。

(1)A.HNO3还原产物是NO2、NO等大气污染物，不环保，A错误；

B.NaOH反应会引入杂质离子Na+，而且制取成本高，B错误；

C.氨水反应会产生氨气，导致大气污染，而且反应后溶液中含有杂质NH4+，C错误；

D. H2O2还原产物是H2O，Cu(OH)2CO3与溶液中的H+反应，不仅可提高溶液的pH，而且不会产生杂质离子，符合题目要求，D正确；

故合理选项是D；

(2) NH4Al(SO4)2·12H2O溶于水发生电离：NH4Al(SO4)2·12H2O=NH4++Al3++2SO42-+12H2O，可见c(SO42-)最大；在溶液中NH4+、Al3+发生水解反应而消耗，水解使溶液显酸性，所以c(H+)>c(OH-)，由于Al(OH)3是两性氢氧化物，NH3H2O是碱，说明碱性：NH3H2O>Al(OH)3，根据盐的水解规律：碱越弱，碱电离产生的离子水解程度就越大，所以等浓度的NH4+和Al3+的水解程度：Al3+> NH4+，水解程度越大，溶液中离子浓度就越小，所以c(NH4+)>c(Al3+)，盐水解程度总的来说是微弱的，盐电离产生的离子浓度远大于水电离产生的离子浓度，所以c(Al3+)>c(H+)，故溶液中离子浓度大小关系为：c(SO42-)>c(NH4+)>c(Al3+)>c(H+)>c(OH-)；

(3)过滤3得到A1(OH)3和Cu(OH)2，在“灼烧”时发生化学反应，根据电子守恒、原子守恒，可得该反应的方程式为：4Al(OH)3+4Cu(OH)24CuAlO2+10H2O↑+O2↑；

(4)在20℃时，1L溶液中有效碰撞总次数，物质的浸出率越高，溶液中离子浓度就越大，离子之间碰撞次数就越大，根据图象可知浸取率x<y，所以有效碰撞总次数x<y；在相同浓度下，当温度高于30℃，“浸出率”反而降低，主要原因是相同浓度、温度过高，Fe3+水解程度增大，Fe3+浓度减小；

(5)以铜、石墨为电极，电解“过滤1”所得溶液制备铜，Cu作阴极，连接电源的负极。“过滤1”所得溶液中含有CuCl2、FeCl2、FeCl3，由于电解后氧化性：FeCl3>CuCl2>FeCl2，所以在电解的初期，OA段阴极的电极反应式：Fe3++e-=Fe2+；当溶液中Fe3+反应完全后，发生反应：Cu2++2e-=Cu，所以阴极上Cu的质量增加，当溶液中Cu2+反应完全后，溶液中H+获得电子变为H2，因此阴极产生的Cu质量不再发生变化；

(6)常温下，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38。加入试剂B调节pH=3时，c(H+)=10-3mol/L，则c(OH-)=10-14÷10-3=10-11mol/L，由于c(Fe3+)c3(OH-)= Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，c(Fe3+)=4.0×10-38÷10-33=4.0×10-5mol/L。