Question

以黄铜矿精矿为原料，制取硫酸铜及金属铜的工艺如下所示：

Ⅰ.将黄铜矿精矿(主要成分为CuFeS₂，含有少量CaO、MgO、Al₂O₃)粉碎。

Ⅱ.采用如下装置进行电化学浸出实验

将精选黄铜矿粉加入电解槽阳极区，恒速搅拌，使矿粉溶解。在阴极区通入氧气，并加入少量催化剂。

Ⅲ.一段时间后，抽取阴极区溶液，向其中加入有机萃取剂(RH)发生反应：2RH(有机相)＋Cu^2＋(水相) R₂Cu(有机相)＋2H^＋(水相)

分离出有机相，向其中加入一定浓度的硫酸，使Cu^2＋得以再生。

Ⅳ.电解硫酸铜溶液制得金属铜。

（1）黄铜矿粉加入阳极区与硫酸及硫酸铁主要发生以下反应：

CuFeS₂＋4H^＋=Cu^2＋＋Fe^2＋＋2H₂S

2Fe^3＋＋H₂S=2Fe^2＋＋S↓＋2H^＋

①阳极区硫酸铁的主要作用是____________。

②电解过程中，阳极区Fe^3＋的浓度基本保持不变，原因是______________________。

（2）阴极区，电极上开始时有大量气泡产生，后有固体析出，一段时间后固体溶解。写出上述现象对应的反应式____________________。

（3）若在实验室进行步骤Ⅲ，分离有机相和水相的主要实验仪器是__________；加入有机萃取剂的目的是__________。

（4）步骤Ⅲ，向有机相中加入一定浓度的硫酸，Cu^2＋得以再生的原理是____________。

（5）步骤Ⅳ，若电解200 mL 0.5 mol·L^－1的CuSO₄溶液，生成铜3.2 g，此时溶液中离子浓度由大到小的顺序是__________。

Answer

（1）①吸收硫化氢气体，防止环境污染

②Fe2＋－e－=Fe3＋

（2）2H＋＋2e－=H2↑、Cu2＋＋2e－=Cu、2Cu＋O2＋2H2SO4=2CuSO4＋2H2O

（3）分液漏斗 富集Cu2＋、分离Cu2＋与其它金属阳离子

（4）增大H＋浓度，使平衡2RH(有机相)＋Cu2＋(水相)R2Cu(有机相)＋2H＋(水相)逆向移动，Cu2＋进入水相得以再生

（5）c(H＋)＞c(SO42-)＞c(Cu2＋)＞c(OH－)

【解析】（1）根据2Fe3＋＋H2S=2Fe2＋＋S↓＋2H＋，可判断Fe2(SO4)3的主要作用是氧化H2S气体，防止H2S对环境的污染，当Fe3＋被H2S还原为Fe2＋后，在阳极上Fe2＋－e－=Fe3＋，使Fe3＋的浓度基本保持不变。

（2）在阴极上，2H＋＋2e－=H2↑，然后Cu2＋＋2e－=Cu，接着在酸性条件下，Cu被O2氧化成CuO，CuO和H2SO4反应生成CuSO4。

（3）有机相和水相不混溶，所以应用分液漏斗分离，由于Cu2＋在有机相中，所以加入有机萃取剂可富集Cu2＋。

（4）利用化学平衡移动原理解释。

（5）2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑

0.05 mol 0.05 mol

所以n(H＋)＝0.1 mol

由于Cu2＋的水解，所以n(Cu2＋)＜0.05 mol，n(H＋)＞0.1 mol。

所以c(H＋)＞c(SO42-)＞c(Cu2＋)＞c(OH－)。