Question

5．辉铜矿是一种重要的铜矿石，主要含有硫化亚铜（Cu₂S），还有Fe₂O₃、SiO₂及一些不溶性杂质．一种以辉铜矿石为原料制备硝酸铜晶体的工艺流程如图：

已知：部分金属阳离子生成氢氧化物沉淀的pH范围如表所示（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol/L计算）

离子	开始沉淀的pH	完全沉淀的pH
Fe3+	1.1	3.2
Mn2+	8.3	9.8
Cu2+	4.4	6.4

回答下列问题
（1）浸取后得到的浸出液中含有CuSO₄、MnSO₄．写出浸取时产生CuSO₄、MnSO₄反应的化学方程式2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O．
（2）调节pH的目的是铁离子转化成氢氧化铁完全沉淀，pH的调节范围为3.2≤pH＜4.4．
（3）生成MnCO₃沉淀的离子方程式为Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺．
（4）操作A为蒸发浓缩、冷却结晶．
（5）由辉铜矿制取铜的反应过程可以表示为：
2Cu₂S（s）+3O₂（g）═2Cu₂O（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ/mol
2Cu₂O（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+SO₂（g）△H=+116.0kJ/mol
则由Cu₂S与O₂加热反应生成Cu的热化学方程式为Cu₂S（s）+0₂（g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l．
（6）若用含85% Cu₂S（Mr=160）的辉铜矿来制备无水Cu（NO₃）₂，假设浸取率为95%，调节pH时损Cu 3%，蒸氨过程中有5%未转化为CuO，其它过程中无损耗，则1.6kg这样的辉铜矿最多能制备14.9mol无水Cu（NO₃）₂．（计算结果精确到小数点后1位）

Answer 1

分析 辉铜矿主要含有硫化亚铜（Cu₂S），还有Fe₂0₃、Si0₂及一些不溶性杂质，加入硫酸溶液及二氧化锰溶解浸取过滤，过滤得滤渣，萃取回收硫单质；在滤液中调节溶液的pH值，使铁离子沉淀而除去，所以沉淀M为氢氧化铁，过滤在滤液中加碳酸氢铵和氨气得碳酸锰沉淀，将滤液进行蒸氨、过滤得氧化铜，氧化铜中加入硝酸，经过蒸发浓缩、降温结晶得到硝酸铜晶体，
（1）反应物是二氧化锰、硫化铜和硫酸，生成物是S、硫酸铜、硫酸锰，根据化合价升降相等配平；
（2）调节pH使铁离子沉淀，根据表中数据使铁离子溶液完全且不使铜离子沉淀判断pH值；
（3）锰离子与碳酸氢根离子在氨水中生成碳酸锰沉淀和铵根离子；
（4）根据上面的分析可知，操作A是从硝酸铜溶液中获得硝酸铜晶体，注意硝酸铜是受热能分解的物质，据此答题；
（5）根据反应①2Cu₂S（s）+30₂ （g）═2Cu₂0（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ．mol^-l，②2Cu₂0（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+S0₂（g）△H=+116．O kJ．mol^-l，利用盖斯定律可知，将（①+②）÷3即得Cu₂S与0₂加热反应生成Cu的热化学方程式；
（6）根据铜元素守恒及n=$\frac{m}{M}$计算出硝酸铜的物质的量．

解答 解：辉铜矿主要含有硫化亚铜（Cu₂S），还有Fe₂0₃、Si0₂及一些不溶性杂质，加入硫酸溶液及二氧化锰溶解浸取过滤，过滤得滤渣，萃取回收硫单质；在滤液中调节溶液的pH值，使铁离子沉淀而除去，所以沉淀M为氢氧化铁，过滤在滤液中加碳酸氢铵和氨气得碳酸锰沉淀，将滤液进行蒸氨、过滤得氧化铜，氧化铜中加入硝酸，经过蒸发浓缩、降温结晶得到硝酸铜晶体，
（1）根据工艺流程浸取时的反应：Cu₂S+MnO₂+H₂SO₄→MnSO₄+CuSO₄+H₂O+S，根据化合价的升降配平，Cu₂S整体升高4，MnO₂下降2，最小公倍数4，MnO₂和MnSO₄的系数为2，Cu₂S的系数为1，根据原子个数守恒，配平其他，反应的离子方程式为：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O，
故答案为：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O；
（2）调节pH使铁离子转化成氢氧化铁完全沉淀，根据表中数据使铁离子溶液完全，则3.2≤pH，且不使铜离子沉淀，则pH＜4.4，所以pH值范围为：3.2≤pH＜4.4，
故答案为：铁离子转化成氢氧化铁完全沉淀；3.2≤pH＜4.4；
（3）锰离子与碳酸氢根离子在氨水中生成碳酸锰沉淀和铵根离子，反应的离子方程式为：Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺，
故答案为：Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺；
（4）根据上面的分析可知，操作A是从硝酸铜溶液中获得硝酸铜晶体，注意硝酸铜是受热能分解的物质，所以操作A为蒸发浓缩、冷却结晶，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（5）根据反应①2Cu₂S（s）+30₂ （g）═2Cu₂0（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ．mol^-l，②2Cu₂0（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+S0₂（g）△H=+116．O kJ．mol^-l，利用盖斯定律可知，将（①+②）÷3即得Cu₂S与0₂加热反应生成Cu的热化学方程式为：Cu₂S（s）+0₂ （g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l ，
故答案为：Cu₂S（s）+0₂（g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l；
（6）1.6kg这样的辉铜矿含有Cu₂S的质量为85%×1.6kg，根据铜元素守恒可知，能生成Cu（N0₃）₂的物质的量为：$\frac{1600g×85%×95%×（1-3%）×（1-5%）}{160g/mol}$×2≈14.9mol，
故答案为：14.9mol．

点评 本题考查了制备方案的设计，题目难度中等，明确实验目的及化学实验基本操作方法为解答关键，注意掌握制备方案设计与评价的原则，试题知识点较多、综合性较强，充分培养了学生的分析、理解能力及化学实验、化学计算能力．