Question

12．铜及其化合物在工业上有许多用途．回答下列问题：
（1）某工厂以辉铜矿（主要成分为Cu₂S，含少量Fe₂O₃、SiO₂等杂质）为原料制备不溶于水的碱式碳酸铜的流程如下：


①浸取反应中氧化剂的化学式为MnO₂；滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、S和SiO₂（写化学式）
②“除铁”这一步反应在25℃进行，加入试剂A调节溶液PH为4后，溶液中铜离子最大浓度不超过2.2 mol/L．（已知K_sp[Cu（OH）₂]=2.2×10^-20）
③“沉锰”（除Mn²⁺）过程中反应的离子方程式Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O．
④滤液Ⅱ经蒸发结晶得到的盐主要是（NH₄）₂SO₄  （写化学式）．
（2）某实验小组同学用电化学原理模拟湿法炼铜，进行了一系列探究活动．
①如图1为某实验小组设计的原电池装置，盐桥内装载的是足量用饱和氯化钾溶液浸泡的琼脂，反应前，电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差6.00g，则导线中通过了0.1mol电子，若不考虑甲、乙两池电解质溶液中的离子向盐桥中移动，则甲、乙两池电解质溶液的总质量与实验开始前的电解质溶液的总质量相差5.65gg

②其他条件不变，若将盐桥换成光亮的U形弯铜丝浸入甲池与乙池，如图2所示，电流计指针偏转方向与先前一样，但偏转角度明显减小．一段时间后，乙池石墨棒浸入液面以下部分也析出了一层紫红色固体，则甲池铜丝附近溶液的pH增大（填“减小”、“增大”或“不变”），用电极反应式表示pH变化O₂+2H₂O+4e=4OH^-；
乙池中石墨为阴极（填“正”、“负”、“阴”或“阳”）

Answer 1

分析 辉铜矿主要成分为Cu₂S，含少量Fe₂O₃、SiO₂等杂质，加入稀硫酸和二氧化锰浸取，过滤得到滤渣为MnO₂、SiO₂、单质S，滤液中含有Fe³⁺、Mn²⁺、Cu²⁺，调节溶液PH除去铁离子，加入碳酸氢铵溶液沉淀锰过滤得到滤液赶出氨气循环使用，得到碱式碳酸铜，
（1）①由滤渣1的成份可知反应的化学方程式是：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O，根据方程式判断；
②根据K_sp=c（Cu²⁺）•[c（OH^-）]²=2×10^-20，根据OH^-离子的浓度计算Cu²⁺离子的浓度；
③“沉锰”（除Mn²⁺）过程中，加入碳酸氢铵和氨气，生成碳酸锰沉淀，以此可书写反应的离子方程式；
④滤液Ⅱ主要是硫酸铵溶液通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到硫酸铵晶体；
（2）①图2为原电池反应，Fe为负极，发生反应：Fe-2e^-=Fe^2-，石墨为正极，发生反应Cu²⁺+2e^-=Cu；根据甲乙两池得失电子相等计算甲、乙两池电解质溶液的总质量与实验开始前的电解质溶液的总质量差；
②根据条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池．

解答 解：（1）①由滤渣1的成份可知反应的化学方程式是：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O，反应中Mn元素化合价降低，被还原，MnO₂为氧化剂，因二氧化硅与酸不反应，则滤渣Ⅰ的成分为MnO₂、S和SiO₂，
故答案为：MnO₂；SiO₂；
②溶液pH=4，c（OH^-）=10^-10mol/L，则稀释后的溶液中铜离子浓度最大不能超过：$\frac{2.2×1{0}^{-20}}{（1{0}^{-10}）^{2}}$mol/L=2.2 mol/L，
故答案为：2.2；
③“沉锰”（除Mn²⁺）过程中，加入碳酸氢铵和氨气，生成碳酸锰沉淀，反应的离子方程式为Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O，
故答案为：Mn²⁺+HCO₃^-+NH₃•H₂O=MnCO₃↓+NH₄⁺+H₂O；
④滤液Ⅱ主要是硫酸铵溶液通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到硫酸铵晶体，
故答案为：（NH₄）₂SO₄；
（2）①图2为原电池反应，Fe为负极，发生：Fe-2e^-=Fe^2-，石墨为正极，发生Cu²⁺+2e^-=Cu，总反应式为Fe+Cu²⁺═Fe²⁺+Cu，一段时间后，两电极质量相差6g，
则        Fe+Cu²⁺═Fe²⁺+Cu       两极质量差△m      转移电子
          56g          64g              56g+64g=120g        2mol
                                                 6g                  n
则：n=0.1mol，转移电子的物质的量为0.1mol；
甲池中溶解铁成为亚铁离子共0.05mol质量为2.8克的同时，盐桥中的氯离子会进入电解质溶液，根据电荷守恒氯离子进入溶液为0.1摩尔，质量为3.55克．同样乙池中析出铜0.05摩尔，质量减少3.2克的同时，会有0.1摩尔的钾离子进入溶液，其质量为3.9克，甲池增加的质量为2.8g+3.55 g=6.35g，乙池增加的质量为3.9-3.2=0.7 g
总质量差值=6.35-0.7=5.65 g，
故答案为：0.1；5.65；
②其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池，Fe是负极，发生：Fe-2e^-=Fe^2-，Cu丝是正极，正极发生 O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，呈碱性，则甲池铜丝附近溶液的pH增大，乙池中与铜线相连石墨电极是阳极，该极上发生的反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑，与铁丝相连石墨电极是阴极，发生反应：Cu²⁺+2e^-=Cu，
故答案为：增大；O₂+2H₂O+4e=4OH^-；阴．

点评 本题考查物质制备和原电池原理，为高频考点，涉及氧化还原反应、物质分离和提纯、原电池有关计算等知识点，明确实验原理、物质性质差异性、基本理论是解本题关键，难点是判断（1）流程图中发生的反应及分离提纯方法，题目难度中等．