Question

4．某化学学习小组利用某工业废弃固体（主要成分为Cu₂S和FeS₂）制备硫酸铜溶液和硫酸亚铁晶体，设计方案如图所示：

已知：K_sp[Cu（OH）₂]=6.0×10^-20，K_sp[Fe（OH）₂]=1.6×10^-14，K_sp[Fe（OH）₃]=1.0×10^-38．
（1）写出FeS₂在空气中灼烧的化学方程式：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂．
（2）试剂X为过量铁粉，试剂Y为过量硫酸．
（3）溶液C通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作得到硫酸亚铁晶体．
（4）常温下，固体D、O₂和稀硫酸混合后几乎不反应，而加少量溶液C随即发生反应．已知FeSO₄对此反应起催化作用，则催化过程中反应的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺
（5）除杂时需加入双氧水，然后加入试剂Z以调节pH使得铁元素全部沉淀（含铁元素的离子浓度小于10^-5mol/L）．试剂Z可以是CuO等，溶液的pH应≥3．

Answer 1

分析 工业废弃固体（主要成分为Cu₂S和FeS₂）灼烧得氧化铜和氧化铁及二氧化硫气体，所以E为SO₂，固体A为氧化铜和氧化铁的混合物，A中加入硫酸溶解，再加入过量的铁粉，得硫酸亚溶液和铜固体，过滤后得到溶液C为FeSO₄溶液，固体B为铁、铜混合物，B中加入稀硫酸得硫酸亚铁溶液和铜固体，所以固体D为Cu，硫酸亚铁溶液蒸发浓缩、降温结晶可得绿矾晶体，铜与稀硫酸溶液中通入氧气除杂后得硫酸铜溶液．
（1）FeS₂在空气中灼烧生成氧化铁与二氧化硫；
（2）试剂X为Fe，试剂Y为硫酸；
（3）从溶液中获得晶体，需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤等操作；
（4）酸性条件下，氧气将亚铁离子氧化为铁离子，铁离子与Cu反应生成铜离子与亚铁离子，整个过程中亚铁离子起催化剂作用；
（5）除杂时需加入双氧水将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，再加试剂Z调节溶液pH以除去Fe³⁺，加入试剂Y要不引入新杂质且可以与氢离子反应；
根据K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=1.0×10^-38计算c（OH^-），再根据水的离子积计算c（H⁺），溶液pH=-lgc（H⁺）．

解答 解：工业废弃固体（主要成分为Cu₂S和FeS₂）灼烧得氧化铜和氧化铁及二氧化硫气体，所以E为SO₂，固体A为氧化铜和氧化铁的混合物，A中加入硫酸溶解，再加入过量的铁粉，得硫酸亚溶液和铜固体，过滤后得到溶液C为FeSO₄溶液，固体B为铁、铜混合物，B中加入稀硫酸得硫酸亚铁溶液和铜固体，所以固体D为Cu，硫酸亚铁溶液蒸发浓缩、降温结晶可得绿矾晶体，铜与稀硫酸溶液中通入氧气除杂后得硫酸铜溶液．
（1）FeS₂在空气中灼烧生成氧化铁与二氧化硫，反应方程式为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，
故答案为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；
（2）由上述分析可知，试剂X为过量铁粉，试剂Y为过量硫酸，
故答案为：过量铁粉；过量硫酸；
（3）溶液C通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作得到硫酸亚铁晶体，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（4）酸性条件下，氧气将亚铁离子氧化为铁离子，铁离子与Cu反应生成铜离子与亚铁离子，整个过程中亚铁离子起催化剂作用，则催化过程中反应的离子方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺，
故答案为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺；
（5）除杂时需加入双氧水将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，再加试剂Z调节溶液pH以除去Fe³⁺，加入试剂Y要不引入新杂质且可以与氢离子反应，试剂Y为CuO、Cu（OH）₂、CuCO₃等，
铁元素的离子浓度小于10^-5mol/L时沉淀完全，由K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=1.0×10^-38，可得c（OH^-）=1.0×10^-11mol/L，则c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-11}}$mol/L=1.0×10^-3mol/L，溶液pH=-lg1.0×10^-3=3，
故答案为：CuO等；3．

点评 本题考查物质制备工艺流程，涉及对操作与试剂的分析评价、物质分离提纯、条件控制等，侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，关键是理解实验原理和操作流程，熟练掌握元素化合物性质，题目难度中等．