Question

黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿等是工业炼铜的常用原料。完成下列计算：

(1)某种黄铜矿中铜的质量分数为0.25，生产1吨纯铜理论上需要这种铜矿_______吨。

(2)实验室以黄铜矿为原料模拟工业炼铜时会产生SO₂，用200 mL 1 mol/L的NaOH溶液吸收后，将溶液低温蒸干，得到不含结晶水的固体19.98 g，求所得固体的成分及物质的量。__________

(3)斑铜矿的主要成分M由Cu、Fe、S三种元素组成，其中Cu、Fe元素的质量比为40∶7。常温下将5.04 g M粉末全部溶于过量浓HNO₃中，反应后的溶液加水稀释至500 mL，测得其pH=0。向溶液中滴加5 mol/L的NaOH溶液，当加入126 mL后，沉淀质量不再增加，求M的化学式。__________

(4)以辉铜矿为原料火法炼铜，其原理是：

2Cu₂S+3O₂ → 2Cu₂O+2SO₂；     Cu₂S+2Cu₂O → 6Cu+SO₂↑。

将含3 mol Cu₂S的辉铜矿与一定量的空气（氮气、氧气的体积比为4：1）在密闭容器中充分反应(假设各步反应都完全)，得到单质铜3 mol，求所得气体中SO₂的体积分数。__________

Answer

4吨 n(NaHSO3)=0.18 mol；n(Na2SO3)=0.01 mol Cu5FeS4(或FeCu5S4) 若Cu2S过量，SO2%=20%，若Cu2O过量，SO2%=16.7%。

【解析】

(1)根据元素守恒，矿石中铜的质量等于纯铜的质量计算；

(2)NaOH的物质的量n(NaOH)=1 mol/L×0.2 L=0.2 mol，假设固体全为Na2SO3，则其质量为m(Na2SO3)=×0.2 mol×126 g/mol=12.6 g<19.98 g；假设固体全是NaHSO3，则其质量为m(NaHSO3)=0.2 mol×104 g/mol=20.8 g>19.98 g，故固体为Na2SO3、NaHSO3的混合物，根据钠离子守恒与二者总质量列方程计算各自物质的量；

(3)根据Cu、Fe元素的质量比为40：7计算n(Cu)：n(Fe)，当加水稀释至500 L时测得其pH为0，此时氢离子浓度为1 mol/L，氢氧化钠先中和氢离子，然后将金属离子转化为沉淀，此时根据元素守恒可计算消耗氢氧化钠的物质的量n(NaOH)=2n(Cu2+)+3n(Fe3+)+n(H+)，联立可以计算n(Cu)、n(Fe)，进而计算S元素物质的量，再计算三元素物质的量之比确定化学式；

(4)已知2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2，Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑，反应得到单质铜3 mol，根据方程式计算生成二氧化硫，结合空气中氧气和氮气的含量计算。

(1)黄铜矿中铜的质量分数为0.25，则生产1吨纯铜，需矿石的质量m=1吨÷0.25=4吨；

(2)200 mL 1 mol/L的NaOH溶液中含NaOH的物质的量为n(NaOH)=1 mol/L×0.2 L=0.2 mol，根据Na元素守恒，用极值方法计算，假设反应后得到的固体全为Na2SO3，m(Na2SO3)=×0.2 mol×126 g/mol=12.6 g<19.98g；假设反应得到的固体全是NaHSO3，则其质量为m(NaHSO3)=0.2 mol×104 g/mol=20.8 g>19.98 g，说明得到固体为Na2SO3、NaHSO3的混合物，设Na2SO3、NaHSO3的物质的量分别为x mol、y mol，则：由二者总质量：126x+104y=19.98

根据Na元素守恒：2x+y=0.2，解得x=0.01 mol，y=0.18 mol，所以最后所得固体中含有Na2SO3为0.01 mol，NaHSO3为0.18 mol；

(3)由斑铜矿Cu、Fe元素的质量比为40：7，可得二者的物质的量的比n(Cu)：n(Fe)=：=5：1，当加水稀释至500 L时测得其pH为0，此时氢离子浓度为c(H+)=1 mol/L，向溶液中滴加5 mol/L的NaOH溶液，NaOH先中和溶液中H+，然后将Cu2+、Fe3+转化为Cu(OH)2、Fe(OH)3沉淀，所以根据Na元素守恒，当恰好形成沉淀时，溶液2n(Cu2+)+3n(Fe3+)=5 mol/L×0.126 L-1 mol/L×0.5 L=0.13 mol，两式联立解得：n(Cu)=0.05 mol，n(Fe)=0.01 mol，

故斑铜矿中S元素的质量m(S)=5.04 g-0.01 mol×56 g/mol-0.05 mol×64 g/mol=1.28 g，则n(S)==0.04 mol，n(Fe)：n(Cu)： n(S)= 0.01 mol：0.05 mol：0.04mol=1：5：4，所以M的化学式为FeCu5S4；

(4)将含3 mol Cu2S的辉铜矿与一定量的空气(氮气、氧气的体积比4：1)在密闭容器中充分反应(假设各步反应都完全)，得到单质铜3 mol。

若Cu2S过量，由2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2可知1 mol Cu2S反应会消耗1.5 mol O2，反应产生1 mol Cu2O和1 mol SO2，然后发生反应Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑，1 mol Cu2O消耗0.5 molCu2S，反应产生3 mol Cu和0.5 mol SO2，则反应消耗氧气为1.5 mol，氮气的物质的量是氧气的4倍，则氮气的物质的量为6 mol，反应共生成的SO2的物质的量为0.5 mol+1 mol=1.5 mol，故所得气体中的SO2的体积分数为：×100%=20%；

若Cu2O过量，由Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑可知反应产生3 mol Cu，会同时产生0.5 mol SO2，反应消耗0.5 mol Cu2S和1 mol Cu2O，发生2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2的Cu2S为2.5 mol，反应消耗3.75 mol O2，同时得到2.5 mol Cu2O和2.5 mol SO2，反应消耗氧气为3.75 mol，氮气的物质的量是氧气的4倍，则氮气的物质的量为3.75 mol ×4=15 mol，共生成的SO2为0.5 mol+2.5 mol=3 mol，则所得气体中的SO2的体积分数为：×100%=16.7%。