Question

用黃銅礦煉銅按反應(yīng)物和生成物可將總反應(yīng)可以寫成：
CuFeS₂ + SiO₂ + O₂→ Cu + FeSiO₃ + SO₂
事實上冶煉反應(yīng)是分步進行的。(1)黃銅礦在氧氣作用下生成硫化亞銅和硫化亞鐵；(2)硫化亞鐵在氧氣作用下生成氧化亞鐵，并與二氧化硅反應(yīng)生成礦渣；(3)硫化亞銅與氧氣反應(yīng)生成氧化亞銅；(4)硫化亞銅與氧化亞銅反應(yīng)生成銅。
1)  寫出上述各個分步反應(yīng)(1，2，3，4)的化學(xué)方程式。
2)  給出總反應(yīng)方程式的系數(shù)。
3)  據(jù)最新報道, 有一種叫Thibacillus ferroxidans的細(xì)菌在氧氣存在下可以將黃銅礦氧化成硫酸鹽。反應(yīng)是在酸性溶液中發(fā)生的。試寫出配平的化學(xué)方程式。
4)  最近我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，以精CuFeS₂礦為原料在沸騰爐中和O₂ (空氣)反應(yīng), 生成物冷卻后經(jīng)溶解、除鐵、結(jié)晶，得到CuSO₄·5H₂O，成本降低了許多。實驗結(jié)果如下：

沸騰爐溫度/℃		560	580	600	620	640	660
生 成 物	水溶性Cu/%	90.12	91.24	93.50	92.38	89.96	84.23
	酸溶性Cu/%	92.00	93.60	97.08	97.82	98.16	98.19
	酸溶性Fe/%	8.56	6.72	3.46	2.78	2.37	2.28

回答如下問題：
(1)  CuFeS₂和O₂主要反應(yīng)的方程式為:
(2)  實際生產(chǎn)過程的沸騰爐溫度為 600～620℃。控制反應(yīng)溫度的方法是：
(3)  溫度高于600～620℃生成物中水溶性Cu (%)下降的原因是：

Answer 1

（1）2CuFeS₂ + O₂ =Cu₂S + 2FeS +SO₂                                          (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
FeS + O₂ =" FeO" + SO₂                                                        (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
FeO + SiO₂ = FeSiO₃                                                           (1分)  
(寫其他產(chǎn)物不得分)
2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O+ 2SO₂                                  (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
Cu₂S+ 2Cu₂O =" 6Cu" + SO₂                                    (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
不配平不得分。
（2）2CuFeS₂ + 2SiO₂ + 5O₂ =" 2Cu" + 2FeSiO₃ + 4SO₂
（3）4CuFeS₂ + 2H₂SO₄ + 17O₂ = 4CuSO₄ + 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O           (4分)
(注：不寫硫酸鐵而寫硫酸亞鐵給一半分)
（4）(1) 4CuFeS₂ + 17O₂ = 4CuSO₄ + 2Fe₂O₃ + 8SO₂                 (4分)
(2)  控制加入CuFeS₂的速度，因CuFeS₂與O₂反應(yīng)放熱。       (2分)
(3)  CuSO₄ =" CuO" + SO₃                                                     (2分)  
         (答SO₂ + 1/2O₂不扣分)
(注：(1)的反應(yīng)產(chǎn)物不寫氧化鐵寫氧化亞鐵或四氧化三鐵也可以給一半分。
雖然實際反應(yīng)產(chǎn)物是氧化鐵, 但對中學(xué)生, 做出正確判斷根據(jù)可能不足。)

本題由三個相互獨立的問題組成，可以認(rèn)為是三個題，占總分的較大比例，但由于都是有關(guān)黃銅礦的利用問題，因而被編在一起，而且多少相互之間可以起到“條件不同反應(yīng)不同”的關(guān)聯(lián)作用。與前兩題相比，本題的第一部分比較簡單，好像是命題人考慮著對前面的試題可能解答得不好的學(xué)生起一點安撫鼓勵作用。寫四個分步反應(yīng)的方程式的考核點只是把題面的表述轉(zhuǎn)換成化學(xué)方程式，但題面并沒有指出生成物中的硫的形態(tài)。根據(jù)中學(xué)化學(xué)知識，可以想見它是SO₂，大多數(shù)學(xué)生應(yīng)該不會寫錯。其中第四個反應(yīng)就是所謂“冰銅”反應(yīng)，比較特殊，但試題已經(jīng)告訴大家反應(yīng)產(chǎn)物的含銅物質(zhì)應(yīng)該只有一種，即金屬銅，這就降低了難度，可見應(yīng)答時永遠不應(yīng)離開試題提供的知識背景。
問題(2)配平總方程式的系數(shù)，比較費事，考查機敏。配平的方法很多，條條大路通羅馬。比較簡單的是不管黃鐵礦里的銅、鐵和硫應(yīng)當(dāng)是什么價態(tài)的，假設(shè)鐵是+2價的，銅也是+2價的，硫是-2價的，這樣，鐵在反應(yīng)后價態(tài)不變，就省事多了。這種假設(shè)不會出現(xiàn)錯誤，其原因是氧化還原的電子得失總數(shù)是一定的。
問題(3)也是寫方程式，熟悉過去競賽試題的選手可能覺得似曾相識，但并非陳題。根據(jù)給出的信息，不難首先得出這樣的結(jié)論：反應(yīng)得到的溶液由CuSO₄和Fe₃(SO₄)₂組成。因為有氧氣參加反應(yīng)，銅和鐵均應(yīng)成水溶液中的穩(wěn)定高價，似不會弄錯。考慮到學(xué)生可能的錯誤，判分標(biāo)準(zhǔn)比較松。這個反應(yīng)的關(guān)鍵是產(chǎn)物里要添硫酸根，為此題面對反應(yīng)的條件作了說明：酸性溶液；但為避免暗示過多，沒有說要加硫酸。
分析應(yīng)答結(jié)果，許多學(xué)生因不會正確書寫離子方程式和分子方程式二而失分。他們寫的方程式是“非驢非馬”的既非離子方程式又非分子方程式的“混雜”方程式。這中錯誤是嚴(yán)重的，不利于今后的學(xué)習(xí)，不能給分。我們建議正常課堂教學(xué)要針對學(xué)生這種錯誤來訓(xùn)練。
問題(4)比前面的試題更推進一步，信息是以表格中的數(shù)據(jù)的形式間接地呈現(xiàn)的。表格用沸騰爐的溫度首先排除學(xué)生對“沸騰”二字的可能誤解，這里的“沸騰”并非意味著爐子里有水之類的溶劑(試題設(shè)計人估計學(xué)生并沒有固體在上行氣流沖擊下如同沸騰的那種工業(yè)反應(yīng)器的概念，并沒有考察這樣專門的知識，但中學(xué)老師說，沸騰爐的概念在講黃鐵礦制硫酸中講到的)。表格還用水溶性銅、酸溶性銅和酸溶性鐵的信息表明，沸騰爐里的含鐵產(chǎn)物肯定不是鐵的硫酸鹽，因為并沒有說有水溶性鐵，因而可以得出結(jié)論：燃燒產(chǎn)物中的鐵是以氧化物的方式存在的。(這正是與本題一開始的傳統(tǒng)冶煉反應(yīng)不同之處，否則為什么是最新成果，而且是我國學(xué)者的成果呢？)至于鐵的氧化物為什么隨溫度升高溶于酸的程度降低？本題沒有要求作答。這個知識大大超過中學(xué)生的知識水平。其實，氧化物的酸溶性隨煅燒或燒結(jié)溫度升高而下降是一個普遍現(xiàn)象。例如用作煉鋼爐襯里的氧化鎂就是經(jīng)過高溫?zé)�結(jié)的酸溶性很差的氧化物，還可以舉出的典型物質(zhì)是剛玉(Al₂O₃)，用作坩堝等高溫容器，酸溶性極差。這些化學(xué)知識似應(yīng)在優(yōu)秀中學(xué)生中間做點普及，不要以為堿性或兩性金屬氧化物都易溶于酸(熱力學(xué)上要溶，動力學(xué)上不溶！)。本題給分充分考慮了中學(xué)生的知識水平，比較寬松。