Question

金属冶炼、电镀、电路板生产等过程会产生大量的 Cu²⁺，Cu²⁺是一种重金属离子，严重影响水生动植物的生长发育，对人体健康也有很大危害，必须经过处理达标后方可排放。某电路板生产企业的水质情况及国家允许排放的污水标准如下表：

项目	废水水质	排放标准
pH	1.0	6~9
Cu^2+(mg/L)	1470	≤0.5
氨氮(mg/L)	2632	≤15

Ⅰ.为研究上述废水中 Cu²⁺的处理方法并实现 Cu 的资源化回收，有研究者进行了如下实验： 向一定体积的废水中加入一定量废铁屑和焦炭粉，置于搅拌器上搅拌 90min、静置，经分析测得上清液中铜含量约为 72mg/L；滤出上清液，向滤液中加入一定量 FeS 固体，充分搅拌后静置，经分析测得其中铜含量已经达标。

(1)在 pH=1.0 的废水中，氨氮的主要存在形式是_____(用化学式表示)。

(2)①加入废铁屑后，废水中的铜含量明显减少，反应的离子方程式是_____

②加入焦炭可以加快反应速率，原因是_________________________________

(3)结合化学用语解释加入 FeS 固体使废水达标的原因_________________________。

(4)在处理废水过程中使用的铁粉会因表面布满一层铜膜而失效，因此要对失效的铁粉进行活化处理，同时回收铜。处理方法为：用一定浓度的氨水浸泡包覆铜膜的铁粉，露置在空气中一段时间后，可以将表面的 Cu 转化为[Cu(NH₃)₄]²⁺与铁粉分离。

请写出 Cu 转化为 [Cu(NH₃)₄]²⁺的离子方程式：_____。

Ⅱ为研究废水处理的最佳 pH，取五份等量的 I 中上清液， 分别用 30%的 NaOH 溶液调节 pH 值至 8.5、9、9.5、10、11，静置后，分析上层清液中铜元素的含量。实验结果如图所示。查阅资料可知：Cu(OH)₂ + 4NH₃ [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2OH^-。

(5)根据实验结果，你认为最佳的 pH 约为_____________________________。结合资料解释实验结果呈图中 b~d 段曲线所示的原因：_________________________。

Answer

NH4+ Fe+Cu2+=Cu+Fe2+ 铁屑、焦炭粉和废水中的电解质可以形成许多微小的原电池 FeS+Cu2+=CuS+Fe2+ 2Cu+O2+8 NH3∙H2O=2[Cu(NH3)4]2++4OH- +6H2O 9 在b~c之间，随着清液pH增大，c(OH-)增大，NH4+与OH-反应生成NH3∙H2O，使得c(NH3)增大，Cu(OH)2+ 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 2OH-向正反应方向移动，故清液中的铜浓度升高；在c~d之间，随着c(OH-)增大，上述平衡向逆反应方向移动，故清液中的铜浓度又逐渐降低。

【解析】

由题中信息可知，向一定体积的废水中加入一定量废铁屑和焦炭粉，可以形成原电池加快铁置换铜的速率；滤出上清液，向滤液中加入一定量 FeS 固体，充分搅拌后，发生沉淀的转化，可以使其中铜含量达标。根据平衡移动原理分析图中曲线变化的原因。

(1)在 pH=1.0 的废水显酸性，根据氨气可以与酸反应生成铵盐可知，氨氮在该废水中的主要存在形式是NH4+。

(2)①铁比铜活泼，铁可以与铜盐发生置换反应，因此加入废铁屑后，废水中的铜含量明显减少，反应的离子方程式是Fe+Cu2+=Cu+Fe2+；

②废水中加入一定量废铁屑和焦炭粉后，可以形成许多微小的原电池，形成原电池可以加快化学反应速率；

(3)FeS可以与废水的Cu2+发生反应生成溶解度更小的CuS，因此，加入 FeS 固体使废水达标的原因用离子方程式可表示为FeS+Cu2+=CuS+Fe2+。

(4)用一定浓度的氨水浸泡包覆铜膜的铁粉，露置在空气中一段时间后，可以将表面的 Cu 转化为[Cu(NH3)4]2+，该反应的离子方程式为2Cu+O2+8 NH3∙H2O=2[Cu(NH3)4]2++4OH- +6H2O。

(5)由图中信息可知，pH约为9时，上层清液中铜元素的含量(铜浓度)最低，因此，最佳的pH约为9。由题中所给资料可知，Cu(OH)2 + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 2OH-。在b~c之间，随着清液pH增大，c(OH-)增大，NH4+与 OH-反应生成NH3∙H2O，使得c(NH3)增大，上述平衡向正反应方向移动，故清液中的铜浓度升高；在c~d之间，随着c(OH-)增大，上述平衡向逆反应方向移动，故清液中的铜浓度又逐渐降低。