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）+Cu²⁺（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Cu²⁺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^＋=Cu²⁺+Fe²⁺+2H₂S

2Fe³⁺+H₂S=2Fe²⁺+S↓+2H^＋

①阳极区硫酸铁的主要作用是          。

②电解过程中，阳极区Fe³⁺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，Cu²⁺得以再生的原理是                。

（5）步骤Ⅳ，若电解200mL0.5 mol/L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               。（忽略电解前后溶液体积的变化）

Answer

(16分)

（1）①吸收硫化氢气体，防止环境污染（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+，分离Cu2+与其它金属阳离子（2分，每个要点1分）

（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（1分）

（5） c(H+)>c(SO42-)>c(Cu2+)>c(OH-)（2分）

【解析】试题分析：（1）①根据阳极区的Fe3＋的浓度基本保持不变，说明有消耗，阳极区的主要反应，H2S有毒，对环境有污染，因此硫酸铁的作用是吸收硫化氢气体，防止环境污染；②就有生成，因此在阳极区Fe2＋－2e－=Fe3＋；(2）根据电解原理，以及信息，有气泡产生，2H＋＋2e－=H2↑，有固体产生Cu2＋＋2e－=Cu，固体消失2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O；（3）有机相和水相互不相溶，分离时采用分液方法，使用分液漏斗；金属矿中金属含量低，一般先采用富集，因此有机萃取的目的是负极Cu2＋，分离Cu2＋与其它金属阳离子；(4）2RH（有机相）+ Cu2+（水相）R2Cu（有机相）+ 2H＋（水相），加入硫酸，增加H＋浓度，促使平衡向正反应方向移动，Cu2＋进入水相得以再生；(5）200mL0.5mol·L－1的CuSO4溶液中n(Cu2＋）=200×10－3×0.5mol=0.1mol，电解一段时间后产生铜单质3.2g，溶液中含有0.05molCuSO4， 2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，生成硫酸的物质的量为0.05mol，因水也发生电离产生H＋和OH－，Cu2＋发生水解，因此离子浓度大小顺序是：c(H+）>c(SO42－）>c(Cu2+）>c(OH－）。