Question

5．黄铜矿（CuFeS₂）是制取铜及其化合物的主要原料之一．如图为模拟黄铜矿加工过程的流程图，其中炉渣的主要成分是FeO、Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃．请回答下列问题：

（1）SO₂可用于工业制硫酸，传统的硫酸制法反应之一见下列热化学方程式：
SO₂（g）+NO₂（g）SO₃（g）+NO（g）；△H＜0
①在恒温密闭容器中，按物质的量之比为2：1投入SO₂和NO₂，一定温度下反应达平衡，此时SO₂和NO₂的物质的量之比变为4：1，则该温度下反应的平衡常数K=1．
②若其他初始条件相同，将恒温容器改为绝热容器，则达平衡时SO₂的转化率与恒温容器中的相比将变小（填“变大”、“变小”或“不变”）．
（2）Cu₂S熔炼制取粗铜的反应如下：
2Cu₂S（s）+3O₂（g）=2Cu₂O（s）+2SO₂（g）；△H=-768.2kJ•mol^-1
2Cu₂O（s）+Cu₂S（s）=6Cu（s）+SO₂（g）；△H=+116.0kJ•mol^-1
则总反应Cu₂S（s）+O₂（g）=2Cu（s）+SO₂（g） 的△H=-217.4kJ/mol．
（3）已知：K_sp（PbS）=9.0×10^-29，K_sp（ZnS）=2.925×10^-25．粗铜电解精炼废电解液中常含有Pb²⁺、Zn²⁺，向其中加入Na₂S溶液，当有PbS和ZnS沉淀共存时，c（Zn²⁺）：c（Pb²⁺）=3250．
（4）溶液Ⅰ中Fe元素存在形式是Fe²⁺、Fe³⁺．从溶液Ⅰ→…→Fe（OH）₃的实验操作依次是：
氧化、调pH、过滤、洗涤…；检验Fe（OH）₃是否洗净的方法是取最后一次洗涤液，加入硝酸酸化，再加入硝酸银溶液，若无沉淀产生，证明已洗净．
（5）Na₂FeO₄和Zn可以组成碱性电池，其反应的离子方程式为：
3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-
请写出放电时正极的电极反应式2FeO₄^2-+6e^-+8H₂O=2Fe（OH）₃+10OH^-．

Answer 1

分析 （1）①根据反应NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g），利用三段式求出平衡时的浓度，然后计算平衡常数；
②该反应为放热反应，在绝热容器中，温度升高，结合温度对平衡的影响分析；
（2）利用盖斯定律把分方程改写在相加减得到目标方程式；
（3）（4）根据c（Zn²⁺）：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（Zns）}{Ksp（Pbs）}$计算；
（4）炉渣的主要成分是FeO、Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃，加盐酸溶解溶液中含有Fe²⁺、Fe³⁺等；溶液中含有大量的氯离子，若沉淀没有洗涤干净，则洗液中会含有氯离子，用硝酸银和稀硝酸检验；
（5）依据原电池反应，3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-，正极上FeO₄^2-发生还原反应．

解答 解：（1）①在恒温密闭容器中，按物质的量之比为2：1投入SO₂和NO₂，设SO₂为2mol，NO₂为1mol
                                SO₂（g）+NO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
起始物质的量（mol） 2               1               0               0
转化物质的量（mol） x               x               x                x
平衡物质的量（mol） 2-x          1-x              x                x
一定温度下反应达平衡，此时SO₂和NO₂的物质的量之比变为4：1，则（2-x）：（1-x）=4：1，故x=$\frac{2}{3}$，
故平衡常数为=$\frac{\frac{\frac{2}{3}}{V}×\frac{\frac{2}{3}}{V}}{\frac{\frac{4}{3}}{V}×\frac{\frac{1}{3}}{V}}$=1；
故答案为：1；
②该反应为放热反应，在绝热容器中，温度升高，反应逆向进行，转化率减小，所以将恒温容器改为绝热容器，则达平衡时SO₂的转化率与恒温容器中的相比将变小；
故答案为：变小；
（2）2Cu₂S（s）+3O₂（g）=2Cu₂O（s）+2SO₂（g）；△H=-768.2kJ•mol^-1①
2Cu₂O（s）+Cu₂S（s）=6Cu（s）+SO₂（g）；△H=+116.0kJ•mol^-1②；
由盖斯定律可知：①×$\frac{1}{3}$+②×$\frac{1}{3}$得到Cu₂S（s）+O₂（g）=2Cu（s）+SO₂（g），则其△H=-217.4kJ/mol；
故答案为：-217.4kJ/mol；
（3）C（Zn²⁺）：C（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（Zns）}{Ksp（Pbs）}$=$\frac{9.0×1{0}^{-29}}{2.925×1{0}^{-25}}$=3250；
故答案为：3250；
（4）炉渣的主要成分是FeO、Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃，加盐酸溶解溶液中含有Fe²⁺、Fe³⁺等，所以溶液Ⅰ中Fe元素存在形式是Fe²⁺、Fe³⁺；溶液中含有大量的氯离子，若沉淀没有洗涤干净，则沉淀表面会附着有氯离子，则洗液中也会含有氯离子，用硝酸银和稀硝酸检验，所以检验Fe（OH）₃是否洗净的方法是取最后一次洗涤液，加入硝酸酸化，再加入硝酸银溶液，若无沉淀产生，证明已洗净；
故答案为：Fe²⁺、Fe³⁺；取最后一次洗涤液，加入硝酸酸化，再加入硝酸银溶液，若无沉淀产生，证明已洗净；
（5）反应原理为：3Zn+2FeO₄^2-+8H₂0═3Zn（OH）₂+2Fe（0H）₃+40H^-，正极电极反应式为：2FeO₄^2-+6e^-+8H₂O=2Fe（OH）₃+10OH^-，
故答案为：2FeO₄^2-+6e^-+8H₂O=2Fe（OH）₃+10OH^-．

点评 本题考查学生阅读题目获取信息的能力、盖斯定律的应用、氧化还原反应、原电池的工作原理的应用，电极反应，电极产物的判断等，题目难度中等，要求学生要有扎实的基础知识和灵活运用知识解决问题的能力．注意基础知识的全面掌握．