Question

在实验室模拟工业上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_____________。(使用化学用语作答)

(2)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___________________。

(3)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 _____________。

(4)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

(1)①吸收硫化氢气体，防止环境污染；② Fe2+-e-=Fe3+；

(2)分液漏斗；富集Cu2+，分离Cu2+与其他金属阳离子；

(3)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；

(4)c(H+)＞c(SO42-)＞c(Cu2+)＞c(OH-)；

【解析】

试题分析：(1)①由发生的反应可知，Fe3+氧化吸收硫化氢气体，防止环境污染，故答案为：吸收硫化氢气体，防止环境污染；

②Fe3+被还原Fe2+，Fe2+在阳极放电Fe2+-e-=Fe3+，又生成Fe3+，电解过程中，阳极区Fe3+的浓度基本保持不变，故答案为：Fe2+在阳极放电Fe2+-e-=Fe3+，又生成Fe3+；

(2)首先氢离子放电生成氢气，反应一段时间，铜离子放电生成铜，再通入氧气的条件下Cu、氧气、硫酸反应生成硫酸铜，发生的反应依次为：2H++2 e-=H2↑、Cu2++2e-=Cu、2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O，故答案为：2H++2 e-=H2↑、Cu2++2e-=Cu、2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O；

(3)有机相和水相不互溶，分离有机相和水相通常利用分液的方法，使用的仪器为分液漏斗；加入有机萃取剂富集Cu2+，分离Cu2+与其它金属阳离子；故答案为：分液漏斗；富集Cu2+，分离Cu2+与其它金属阳离子；

(4)向有机相中加入一定浓度的硫酸，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，故答案为：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)电解uSO4溶液，发生反应2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑，200mL 0.5mol/L的CuSO4溶液中n(CuSO4)=0.2L×0.5mol/L=0.1mol，生成铜3.2g，物质的量为=0.05mol，故生成H2SO40.05mol，溶液中CuSO4为0.1mol-0.05mol=0.05mol，电解后的溶液为CuSO4、H2SO4混合溶液，溶液呈酸性，溶液中铜离子水解、水发生电离，故n(H+)＞0.05mol×2=0.1mol，n(SO42-)=0.1mol，n(Cu2+)＜0.05mol，溶液中氢氧根浓度很小，故c(H+)＞c(SO42-)＞c(Cu2+)＞c(OH-)，故答案为：c(H+)＞c(SO42-)＞c(Cu2+)＞c(OH-)。

【考点定位】考查电解原理

【名师点晴】本题考查电解原理、对工艺原理的理解、常用化学用语、离子浓度比较等，题目综合性较大，是对所学知识的综合考查，需要学生具有知识的基础与分析、解决问题的能力，难度中等，(5)中注意根据物质的量判断离子大小。