Question

我国黄铜矿的储量比较丰富，主要产地集中在长江中下游地区、川滇地区、山西南部、甘肃的河西走廊以及西藏高原等地。黄铜矿是一种铜铁硫化物矿物，外观黄铜色，主要成分是CuFeS₂，还含有少量的SiO₂和Ni、Pb、Ag、Au等元素。为实现黄铜矿的综合利用，设计了如下的工艺流程。

已知：①a、b、c均为整数；②CuCl+2Cl^-CuCl₃^2-。

（1）CuFeS₂中S的化合价为___。铁红的主要成分是___(填化学式)。

（2）实验测得“反应I”中有SO₄^2-生成，该反应离子方程式为___，选H₂O₂溶液优于HNO₃的原因是___。

（3）“反应II”中NaCl浓度过大，碱式氯化铜产率较低，其原因是____。

（4）写出“焙烧I”发生反应的化学方程式___。

（5）废电解液中含有少量的Pb²⁺，从废电解液中除去Pb²⁺的方法是往其中通人H₂S至饱和，使Pb²⁺转化为硫化物沉淀，若废电解液的pH=4，为保证不生成NiS沉淀，Ni²⁺浓度应控制在___以下。(已知：饱和H₂S溶液中c(H₂S)为0.1mol/L，H₂S的电离常数K_a1=1.0×10^-7，K_a2=2.0×10^-15，K_sp(NiS)=1.4×10^-16)

Answer

-2 Fe2O3 2CuFeS2+17H2O2+2H+=2Cu2++2Fe3++4SO42-+18H2O 不引入杂质离子，无污染 氯离子浓度大，CuCl+2Cl-CuCl32-平衡正向移动，导致CuCl的浓度减小，生成的碱式氯化铜的量减少，产率 较低 2CuFeS2Cu2S+2FeS+S 0.07mol/L

【解析】

本题中存在两个流程，第一个流程目的是以黄铜矿为原料生产碱式氯化铜，黄铜矿（主要含CuFeS2及少量Fe2O3、SiO2），加入稀盐酸酸浸，SiO2不溶于稀盐酸，溶液中浸出Cu2+，Fe2+，Fe3+等离子，加入H2O2溶液，酸性条件下H2O2将Fe2+氧化为Fe3+，加入氨水调节溶液pH，使Fe3+形成Fe（OH）3沉淀除去Fe3+，进行操作Ⅰ过滤，得到SiO2、Fe（OH）3滤渣，溶液中则存在Cu2+为主，还存在SO42-，加入Cu和NaCl溶液，反应生成CuCl沉淀，经过操作Ⅱ过滤得到CuCl（s）和滤液，加入H2O和O2发生反应Ⅲ，得到碱式氯化铜；

第二个流程中先将黄铜矿隔绝空气焙烧，得到Cu2S和FeS等，加入石英砂通入空气焙烧，生成Cu2O、Cu，熔渣为Fe2O3等，Cu2O、Cu与铝在高温下发生铝热反应得到粗铜，电解可得到精铜。

（1）根据呈电中性CuFeS2，Cu为+2价，Fe为+2价，所以S为-2价，铁红的主要成分是Fe2O3；

（2）实验测得反应I中有SO42-生成，由S2-转化得到，H2O2作为氧化剂还会将CuFeS2中的二价铁氧化成三价，结合电子守恒和元素守恒可得方程式为：2CuFeS2+17H2O2+2H+=2Cu2++2Fe3++4SO42-+18H2O；
H2O2作为氧化剂其还原产物无污染，且不引入新的杂质，而HNO3的还原产物污染环境且引入杂质；

（3）根据题目提供信息CuCl+2Cl-CuCl32-，当氯离子浓度过大时平衡正向移动，导致CuCl的浓度减小，生成的碱式氯化铜的量减少；

（4）根据流程可知产物中有Cu2S和FeS，通的化合价降低，则必有元素的化合价升高，反应物只有CuFeS2，铁元素化合价没变，可知S的化合价升高，又因为隔绝空气焙烧，所以氧化产物应为S单质，故方程式为：2CuFeS2Cu2S+2FeS+S；

（5）饱和H2S溶液中c(H2S)为0.1mol/L，溶液pH=4，则溶液中c（H+）=10-4mol/L，根据Ka1=1.0×10-7，可解的c（HS-）约为10-4mol/L，根据Ka2=2.0×10-15，解得溶液中c（S2-）约为2.0×10-15mol/L，Ksp(NiS)=1.4×10-16=c（Ni2+）·c（S2-），所以为保证不生成NiS沉淀，Ni2+浓度应小于 。