Question

19．以某含铜矿石[主要成分为FeCu₄SiO₃（OH）₄，含少量SiO₂、CuCO₂]为原料，制备CuSO₄•5H₂O的流程如图：

已知：i．溶液中离子浓度小于等于1.0×10^-5mol•L^-1时，认为该离子沉淀完全；
ii．相关试剂成分和价格如表1所示；
iii.25℃时，该流程中金属离子生成氢氧化物时，开始沉淀和沉淀完全的pH如表2所示．
表1

试剂	成分	价格/（元•吨-1）
漂液	含25.2% NaClO	450
双氧水	含30% H2O2	2400
浓硝酸	含98% HNO3	1500

表2

氢氧化物	开始沉淀的pH	沉淀完全的pH
Fe（OH）2	7.6	9.6
Fe（OH）3	2.7	3.7
Cu（OH）2	4.0	6.5

请回答：
（1）FeCu₄SiO₃（OH）₄用氧化物的形式可表示为FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O；
（2）结合题中信息，所选用的试剂1的名称为漂液，加入该试剂时，所发生反应的离子方程式为ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O；
（3）加入试剂2，需调节溶液的pH的合理范围为3.7≤pH＜4.0，试剂2可以选择下列物质中的BC（填字母）
A．Cu  B．CuO   C．Cu（OH）₂  D．Fe
（4）25℃时，Cu（OH）₂  的溶度积常数K_sp[Cu（OH）₂]=1.0×10^-20；
（5）CuSO₄•5H₂O溶液可用于电解精炼铜，电解精炼铜时，导线中通过9.632×10⁴C的电量，理论上阴极质量增加32g（已知：1个电子的电量为1.6×10^-19C）

Answer 1

分析 制备CuSO₄•5H₂O的流程：含铜矿石[主要成分为FeCu₄SiO₃（OH）₄，含少量SiO₂、CuCO₃]，FeCu₄SiO₃（OH）₄中铜为+2价，铁为+2价，用氧化物的形式可表示为FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O，二氧化硅与硫酸不反应，用稀硫酸溶液，发生反应：Cu₂（OH）₂CO₃+2H₂SO₄=2CuSO₄+CO₂↑+3H₂O、FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，溶液1中含有CuSO₄、FeSO₄及未反应的H₂SO₄，溶液3可以得到硫酸铜晶体，则溶液1中加入氧化剂将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，再用试剂2CuO调节溶液pH，使Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀过滤除去，为防止引入新杂化，试剂①为漂液．溶液3经过加热浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤等得到硫酸铜晶体．
（1）硅酸盐由盐的书写改写为氧化物的形式即改写的一般方法归纳为：碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、水（xMO•nSiO₂•mH₂O）．注意：①氧化物之间以“•”隔开；②系数配置出现的分数应化为整数；
（2）依据图表数据和经济效益分析，具有氧化性的漂液符合条件，在酸溶液中氧化亚铁离子为铁离子，根据氧化还原反应和离子方程式的书写方法书写离子方程式；
（3）加入试剂2，需调节溶液的pH使Fe³⁺转化为沉淀予以分离，且不能引入新的杂质，加入CuO或氢氧化铜，根据调节溶液的pH，使Fe³⁺转化为沉淀予以分离，且不能沉淀氢氧化铜沉淀这一要求选择PH范围；
（4）根据溶度积表达式为离子的浓度的幂次方之积来进行书写，Cu（OH）₂的溶度积表达式是Ksp=c（Cu²⁺）•c²（OH^- ）；
（5）电解精炼铜时，阳极电极反应式为Cu-2e^-=Cu ²⁺、阴极反应式为Cu²⁺+2e^-=Cu，根据转移的电子物质的量计算理论上阴极增加的质量．

解答 解：（1）硅酸盐由盐的书写改写为氧化物的形式：金属氧化物在前（活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物），非金属氧化物在后，若同一元素有变价，那么低价在前，高价在后，H₂O一般写在最后，FeCu₄SiO₃（OH）₄中铜为+2价，铁为+2价，用氧化物的形式可表示为FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O，
故答案为：FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O；
（2）根据氧化还原反应得失电子守恒，氧化1molFe²⁺，需次氯酸钠、过氧化氢、硝酸的物质的量分别为0.5mol、0.5mol、1mol，质量分别为37.25g、17g、63g，根据提供的原料价格可以看出，费用分别为37.25g÷25.2%×450元÷10⁶g=0.067元，17g÷30%×2400元÷10⁶g=0.136元，63g÷98%×1500元÷10⁶g=0.096元，故选漂液可以节约成本，引入的离子不干扰后续生产，加入该试剂时，反应的离子方程为：ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O，
故答案为：漂液；ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O；
（3）加入试剂2，需调节溶液的pH使Fe³⁺转化为沉淀予以分离，且不能沉淀氢氧化铜沉淀，且不引入新的杂质，加入CuO或氢氧化铜，氢氧化物完全沉淀：Fe³⁺沉淀完全的pH为3.7，氢氧化物开始沉淀Cu²⁺pH为4.0，调节溶液pH，使Fe³⁺转化为沉淀予以分离，且不能沉淀氢氧化铜沉淀，所以pH取值范围为3.7≤pH＜4.0，
故答案为：3.7≤pH＜4.0；BC；
（4）由表中的信息可知，25℃时，Cu²⁺完全沉淀，C（Cu²⁺）=1.0×10^-5mol/L，溶液的PH=6.5，C（OH^-）=10^-7.5mol/L，溶度积表达式为离子的浓度的幂次方之积，所以Cu（OH）₂的溶度积表达式是Ksp=c（Cu²⁺）•c²（OH^- ）=1.0×10^-5mol/L×（10^-7.5mol/L）²=1.0×10^-20，
故答案为：1.0×10^-20；
（5）电解精炼铜时，导线中通过9.632×10⁴C的电量，转移的电子物质的量为：$\frac{9.632×1{0}^{4}}{1.6×1{0}^{-19}×6.02×1{0}^{23}}$=1mol，阴极反应式为Cu²⁺+2e^-=Cu，则理论上阴极质量增加0.5mol×64g/mol=32g，
故答案为：32g．

点评 本题考查CuSO₄•5H₂O制备及物质分离和提纯，为高考高频点，侧重考查学生分析、计算及实验操作能力，关键是明确实验原理及基本操作方法，知道流程图中发生的反应及操作方法是解答的关键，题目难度中等．