Question

5．我国产铜主要取自黄铜矿（CuFeS₂），随着矿石品味的降低和环保要求的提高，湿法炼铜的优势日益突出．该工艺的核心是黄铜矿的浸出，目前主要有氧化浸出、配位浸出和生物浸出三种方法．
I．氧化浸出
（1）在硫酸介质中用双氧水将黄铜矿氧化，测得有SO₄^2-生成．
①该反应的离子方程式为2CuFeS₂+17H₂O₂+2 H⁺═2Cu²⁺+2Fe³⁺+4SO₄^2-+18H₂O．
②该反应在25-50℃下进行，实际生产中双氧水的消耗量要远远高于理论值，试分析其原因为H₂O₂受热分解，产物Cu²⁺、Fe³⁺催化H₂O₂分解等．
Ⅱ．配位浸出
反应原理：CuFeS₂+NH₃•H₂O+O₂+OH^-→Cu（NH₃）₄²⁺+Fe₂O₃+SO₄^2-+H₂O（未配平）
（2）为提高黄铜矿的浸出率，可采取的措施提高氨水的浓度、提高氧压（其他合理答案也可给分）（．
（3）为稳定浸出液的pH，生产中需要向氨水中添加NH₄C1，构成NH₃•H₂O-NH₄Cl缓冲溶液．某小组在实验室对该缓冲体系进行了研究：25℃时，向a mol•L^-1的氨水中缓慢加入等体积0.02mol•L^-1的NH₄C1溶液，平衡时溶液呈中性．则NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{2×1{0}^{-9}}{a}$（用含a的代数式表示）；滴加NH₄C1溶液的过程中水的电离平衡正向（填“正向”、“逆向”或“不”）移动．
Ⅲ．生物浸出在反应釜中加入黄铜矿、硫酸铁、硫酸和微生物，并鼓入空气，黄铜矿逐渐溶解，反应釜中各物质的转化关系如图所示．

（4）在微生物的作用下，可以循环使用的物质有Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄（或Fe³⁺、H⁺）（填化学式），微生物参与的离子反应方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Fe³⁺+2H₂O或S₈+12O₂+8H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8SO₄^2-+16H⁺任写一个（任写一个）．
（5）假如黄铜矿中的铁元素最终全部转化为Fe³⁺，当有2mol SO₄^2-生成时，理论上消耗O₂的物质的量为4.25mol．

Answer 1

分析 I．氧化浸出
（1）在硫酸介质中用双氧水将黄铜矿氧化，测得有SO₄^2-生成．
①酸性条件下，双氧水和黄铜矿反应生成铜离子、铜离子、硫酸根离子和水；
②双氧水不稳定，受热易分解生成水和氧气，且铜离子、铁离子能促进双氧水分解；
Ⅱ．配位浸出
（2）为提高黄铜矿的浸出率，可采取的措施有增大反应物浓度或增大压强；
（3）25℃时，向a mol•L^-1的氨水中缓慢加入等体积0.02mol•L^-1的NH₄C1溶液，平衡时溶液呈中性，
则溶液中c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol/L，根据电荷守恒得c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.01mol/L，
则NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）．c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}．{H}_{2}O）}$；
含有弱离子的盐促进水电离；
Ⅲ．（4）由图知Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄是中间产物；
（5）铁元素最终全部转化为Fe³⁺，硫元素转化为硫酸根，根据得失电子守恒计算．

解答 解：（1）①酸性条件下，双氧水和黄铜矿反应生成铜离子、铜离子、硫酸根离子和水，离子方程式为2CuFeS₂+17H₂O₂+2 H⁺═2Cu²⁺+2Fe³⁺+4SO₄^2-+18H₂O，
故答案为：2CuFeS₂+17H₂O₂+2 H⁺═2Cu²⁺+2Fe³⁺+4SO₄^2-+18H₂O；
②双氧水不稳定，受热易分解生成水和氧气，且铜离子、铁离子能促进双氧水分解，导致实际生产中双氧水的消耗量要远远高于理论值，
故答案为：H₂O₂受热分解、产物Cu²⁺、Fe³⁺催化H₂O₂分解等；
（2）为提高黄铜矿的浸出率，可采取的措施有增大反应物浓度或增大压强，所以可以通过提高氨水浓度、提高氧压来实现，故答案为：提高氨水的浓度、提高氧压（其他合理答案也可给分）；
（3）25℃时，向a mol•L^-1的氨水中缓慢加入等体积0.02mol•L^-1的NH₄C1溶液，平衡时溶液呈中性，
则溶液中c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol/L，根据电荷守恒得c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.01mol/L，
则NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）．c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}．{H}_{2}O）}$=$\frac{0.01×1{0}^{-7}}{\frac{a}{2}}$=$\frac{2×1{0}^{-9}}{a}$；
铵根能与氢氧根结合，促进水的电离，则水的电离平衡向正方向移动，
故答案为：$\frac{2×1{0}^{-9}}{a}$；正向；
（4）由图知Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄是中间产物，可循环使用；微生物参与的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Fe³⁺+2H₂O或S₈+12O₂+8H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8SO₄^2-+16H⁺任写一个，
故答案为：Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄（或Fe³⁺、H⁺）；
4Fe²⁺+O₂+4H⁺$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Fe³⁺+2H₂O或S₈+12O₂+8H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8SO₄^2-+16H⁺任写一个；
（5）铁元素最终全部转化为Fe³⁺，硫元素转化为硫酸根，当有2mol SO₄^2-生成时，失去电子工17mol，消耗O₂的物质的量为$\frac{17}{4}$mol=4.25mol，
故答案为：4.25 mol．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，涉及方程式的有关计算、离子方程式书写、电离平衡常数的计算等知识点，明确反应原理、物质性质及离子方程式书写规则是解本题关键，难点是一水合氨电离平衡常数的计算．