Question

5．硫酸銅在化工和農(nóng)業(yè)方面有很廣泛的用處，某化學(xué)興趣小組查閱資料，用兩種不同的原料制取硫酸銅．
方式一：一種含銅的礦石（硅孔雀石礦粉），含銅形態(tài)為CuCO₃•Cu（OH）₂和CuSiO₃•2H₂O（含有SiO₂、FeCO₃、Fe₂O₃、Al₂O₃等雜質(zhì)）．以這種礦石為原料制取硫酸銅的工藝流程如圖：

請回答下列問題：
（1）完成步驟①中稀硫酸與CuSiO₃•2H₂O發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式CuSiO₃•2H₂O+H₂SO₄=CuSO₄+H₄SiO₄+H₂O；
（2）步驟②調(diào)節(jié)溶液pH選用的最佳試劑是A
A．CuOB．MgO       C．FeCO₃D NH₃•H₂O
（3）有關(guān)氫氧化物開始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

氫氧化物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Cu（OH）2
開始沉淀的pH	3.3	1.5	6.5	4.2
沉淀完全的pH	5.2	3.7	9.7	6.7

由上表可知：當溶液pH=4時，不能完全除去的離子是Al³⁺．
（4）濾液B通過蒸發(fā)濃縮（設(shè)體積濃縮為原來的一半）、冷卻結(jié)晶可以得到CuSO₄•5H₂O晶體．某同學(xué)認為上述操作會伴有硫酸鋁晶體的析出．請你結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)對該同學(xué)的觀點予以評價（已知常溫下，Al₂（SO₄）₃飽和溶液中C（Al³⁺）=2.25mol•L^-1，K_sp[Al（OH）₃]=3.2×10^-34）錯誤（填“正確”或“錯誤”）．
方式二：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．采用如圖裝置進行電化學(xué)浸出實驗，將精選黃銅礦粉加入電解槽陽極區(qū)，恒速攪拌，使礦粉溶解．在陰極區(qū)通入氧氣，并加入少量催化劑．Ⅲ．一段時間后，抽取陰極區(qū)溶液，向其中加入有機萃取劑（RH）發(fā)生反應(yīng)：

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．
（5）黃銅礦粉加入陽極區(qū)與硫酸及硫酸鐵主要發(fā)生以下反應(yīng)：
CuFeS₂+4H⁺=Cu²⁺+Fe²⁺+2H₂S    2Fe³⁺+H₂S=2Fe²⁺+S↓+2H⁺
電解過程中，陽極區(qū)Fe³⁺的濃度基本保持不變，原因是Fe²⁺-e^-=Fe³⁺（用電極反應(yīng)式表示）．
（6）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．
（7）步驟Ⅳ，若電解0.1mol CuSO₄溶液，生成銅3.2g，此時溶液中離子濃度由大到小的順序是c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．

Answer 1

分析 硅孔雀石是一種含銅礦石，含銅形態(tài)為CuCO₃•Cu（OH）₂和CuSiO₃•2H₂O，同時含有SiO₂、FeCO₃、Fe₂O₃、A1₂O₃等雜質(zhì)，硅孔雀石礦粉加入稀硫酸溶解，加入過氧化氫氧化亞鐵離子浸取后過濾，得到濾渣主要為SiO₂、H₂SiO₃，濾液A在含有Cu²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、H⁺，加入銅的化合物調(diào)節(jié)溶液PH=4使鐵離子全部沉淀，此時鋁離子有部分沉淀，過濾得到濾液B主要是硫酸銅溶液，含有少量硫酸鋁和硫酸溶液，通過蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)，冷卻結(jié)晶得到硫酸銅晶體；
方法一：（1）反應(yīng)前后遵循原子守恒、質(zhì)量守恒定律，未知物應(yīng)該是原硅酸，利用觀察法配平反應(yīng)方程式即可；
（2）濾液A顯示酸性，加入的試劑不能引進新的雜質(zhì)進行分析，調(diào)節(jié)溶液PH=4使鐵離子全部沉淀；
（3）氫氧化物開始沉淀和完全沉淀的pH列表進行分析PH=4完全沉淀、鋁離子不沉淀；
（4）根據(jù)氫氧化鋁的溶度積解及溶液的pH=4，計算出鋁離子的濃度，再進行判斷是否有硫酸鋁析出；
方法二：（5）Fe³⁺被還原Fe²⁺，F(xiàn)e²⁺在陽極放電又生成Fe³⁺；
（6）增大氫離子濃度，根據(jù)平衡移動原理分析；
（7）電解uSO₄溶液，發(fā)生反應(yīng)2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成銅3.2g，物質(zhì)的量為$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.1mol，溶液中CuSO₄為0.1mol-0.05mol=0.05mol，電解后的溶液為CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液中存在硫酸的電離、銅離子水解、水的電離等，據(jù)此判斷．

解答 解：方法一：（1）利用質(zhì)量守恒定律，可以判斷未知物是硅酸，利用觀察法配平反應(yīng)方程式為：CuSiO₃•2H₂O+H₂SO₄═CuSO₄+H₄SiO₄+H₂O，
故答案為：H₄SiO₄；
（2）由于濾液A顯示酸性，加入的試劑能夠中和溶液中的氫離子，還不能引進新的雜質(zhì)，所以應(yīng)該選用A氧化銅，故選A，
故答案為：A；
（3）有表中數(shù)據(jù)可知，pH=4時，三價鐵離子完全生成了氫氧化鐵沉淀，而鋁離子完全沉淀需要的PH是5.2，所以鋁離子沒有完全沉淀，
故答案為：Al³⁺；
（4）PH=4時，溶液中的氫氧根離子的濃度為：1×10^-10mol/L，溶液中鋁離子濃度為：$\frac{3.2×1{0}^{-34}}{（1×1{0}^{-10}）^{3}}$mol/L=3.2×10^-4mol/L，濃縮后c（Al³⁺）=6.4×10^-4mol/L＜＜2.25mol/L，所以不會有硫酸鋁晶體析出，
故答案為：錯誤；
方法二：
（5）Fe³⁺被還原Fe²⁺，F(xiàn)e²⁺在陽極放電Fe²⁺-e^-=Fe³⁺，又生成Fe³⁺，電解過程中，陽極區(qū)Fe³⁺的濃度基本保持不變，
故答案為：Fe²⁺-e^-=Fe³⁺；
（6）向有機相中加入一定濃度的硫酸，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，
故答案為：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；
（7）電解uSO₄溶液，發(fā)生反應(yīng)2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，200mL 0.5mol/L的CuSO₄溶液中n（CuSO₄）=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成銅3.2g，物質(zhì)的量為$\frac{3.2g}{64g/mol}$=0.05mol，故生成H₂SO₄0.05mol，溶液中CuSO₄為0.1mol-0.05mol=0.05mol，電解后的溶液為CuSO₄、H₂SO₄混合溶液，溶液呈酸性，溶液中銅離子水解、水發(fā)生電離，故n（H⁺）＞0.05mol×2=0.1mol，n（SO₄^2-）=0.1mol，n（Cu²⁺）＜0.05mol，溶液中氫氧根濃度很小，故c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-），
故答案為：c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）．

點評 本題借助硅孔雀石為原料制取硫酸銅的工藝流程，考查了化學(xué)方程式書寫、誤差分析、化學(xué)計算，電解原理、對工藝原理的理解、常用化學(xué)用語、離子濃度比較等等知識，可以根據(jù)所學(xué)知識完成，本題難度中等．