Question

以黃銅礦精礦為原料，制取硫酸銅及金屬銅的工藝如下所示：
Ⅰ.將黃銅礦精礦（主要成分為CuFeS₂，含有少量CaO、MgO、Al₂O₃）粉碎
Ⅱ.采用如下裝置進行電化學浸出實驗

將精選黃銅礦粉加入電解槽陽極區，恒速攪拌，使礦粉溶解。在陰極區通入氧氣，并加入少量催化劑。
Ⅲ.一段時間后，抽取陰極區溶液，向其中加入有機萃取劑（RH）發生反應：
2RH（有機相）+ Cu²⁺（水相）R₂Cu（有機相）+ 2H^＋（水相）
分離出有機相，向其中加入一定濃度的硫酸，使Cu²⁺得以再生。
Ⅳ.電解硫酸銅溶液制得金屬銅。
（1）黃銅礦粉加入陽極區與硫酸及硫酸鐵主要發生以下反應：
CuFeS₂ + 4H^＋ = Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂S    2Fe³⁺ + H₂S = 2Fe²⁺ + S↓+ 2H^＋
① 陽極區硫酸鐵的主要作用是       。
② 電解過程中，陽極區Fe³⁺的濃度基本保持不變，原因是       。
（2）陰極區，電極上開始時有大量氣泡產生，后有固體析出，一段時間后固體溶解。寫出上述現象對應的反應式       。
（3）若在實驗室進行步驟Ⅲ，分離有機相和水相的主要實驗儀器是       ；加入有機萃取劑的目的是       。
（4）步驟Ⅲ，向有機相中加入一定濃度的硫酸，Cu²⁺得以再生的原理是       。
（5）步驟Ⅳ，若電解200mL0.5 mol/L的CuSO₄溶液，生成銅3.2 g，此時溶液中離子濃度由大到小的順序是       。

Answer 1

(16分)
（1）①吸收硫化氫氣體，防止環境污染（1分）
②Fe²⁺- e^－→Fe³⁺（1分）
（2）2H⁺+2 e^－→H₂↑  Cu²⁺+2e^－→Cu     2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O（各1分）
（3）分液漏斗 （1分）
富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子 （2分，每個要點1分）
（4）增大H⁺濃度，使平衡2RH(有機相) + Cu²⁺(水相) R₂Cu(有機相)+ 2H^＋(水相)逆向移動，Cu²⁺進入水相得以再生（1分）
（5） c(H⁺)>c(SO₄^2-)>c(Cu²⁺)>c(OH^-)（2分）

解析試題分析：
（1）根據反應：CuFeS₂ + 4H^＋ = Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂S    2Fe³⁺ + H₂S = 2Fe²⁺ + S↓+ 2H^＋①可知硫酸鐵作用為吸收硫化氫氣體，防止環境污染；②吸收硫化氫氣體要消耗Fe³⁺ ，而其濃度不變必須Fe²⁺在陽極放電：Fe²⁺- e^－→Fe³⁺。
（2）根據題中現象和離子放電規律可知：2H⁺+2 e^－→H₂↑ 
Cu²⁺+2e^－→Cu     2Cu+O₂+2H₂SO₄=2CuSO₄+2H₂O（各1分）
（3）分離互不相容的液體要使用分液漏斗 ；
萃取的作用在于富集Cu²⁺，分離Cu²⁺與其它金屬陽離子。
（4）根據題意可知：增大H⁺濃度，使平衡2RH(有機相) + Cu²⁺(水相)R₂Cu(有機相)+ 2H^＋(水相)逆向移動，Cu²⁺進入水相得以再生。
（5）電解200mL0.5 mol/L的CuSO₄溶液，生成銅3.2 g時，相當于等濃度的CuSO₄和硫酸的混合液，其中Cu²⁺部分水解，得c(H⁺)>c(SO2- 4)>c(Cu²⁺)>c(OH^-)。
考點：考查元素及其化合物、電化學、化學實驗、離子濃度判斷等相關知識。