Question

5．輝銅礦是一種重要的銅礦石，主要含有硫化亞銅（Cu₂S），還有Fe₂O₃、SiO₂及一些不溶性雜質．一種以輝銅礦石為原料制備硝酸銅晶體的工藝流程如圖：

已知：部分金屬陽離子生成氫氧化物沉淀的pH范圍如表所示（開始沉淀的pH按金屬離子濃度為1.0mol/L計算）

離子	開始沉淀的pH	完全沉淀的pH
Fe3+	1.1	3.2
Mn2+	8.3	9.8
Cu2+	4.4	6.4

回答下列問題
（1）浸取后得到的浸出液中含有CuSO₄、MnSO₄．寫出浸取時產生CuSO₄、MnSO₄反應的化學方程式2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O．
（2）調節(jié)pH的目的是鐵離子轉化成氫氧化鐵完全沉淀，pH的調節(jié)范圍為3.2≤pH＜4.4．
（3）生成MnCO₃沉淀的離子方程式為Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺．
（4）操作A為蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶．
（5）由輝銅礦制取銅的反應過程可以表示為：
2Cu₂S（s）+3O₂（g）═2Cu₂O（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ/mol
2Cu₂O（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+SO₂（g）△H=+116.0kJ/mol
則由Cu₂S與O₂加熱反應生成Cu的熱化學方程式為Cu₂S（s）+0₂（g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l．
（6）若用含85% Cu₂S（Mr=160）的輝銅礦來制備無水Cu（NO₃）₂，假設浸取率為95%，調節(jié)pH時損Cu 3%，蒸氨過程中有5%未轉化為CuO，其它過程中無損耗，則1.6kg這樣的輝銅礦最多能制備14.9mol無水Cu（NO₃）₂．（計算結果精確到小數點后1位）

Answer 1

分析 輝銅礦主要含有硫化亞銅（Cu₂S），還有Fe₂0₃、Si0₂及一些不溶性雜質，加入硫酸溶液及二氧化錳溶解浸取過濾，過濾得濾渣，萃取回收硫單質；在濾液中調節(jié)溶液的pH值，使鐵離子沉淀而除去，所以沉淀M為氫氧化鐵，過濾在濾液中加碳酸氫銨和氨氣得碳酸錳沉淀，將濾液進行蒸氨、過濾得氧化銅，氧化銅中加入硝酸，經過蒸發(fā)濃縮、降溫結晶得到硝酸銅晶體，
（1）反應物是二氧化錳、硫化銅和硫酸，生成物是S、硫酸銅、硫酸錳，根據化合價升降相等配平；
（2）調節(jié)pH使鐵離子沉淀，根據表中數據使鐵離子溶液完全且不使銅離子沉淀判斷pH值；
（3）錳離子與碳酸氫根離子在氨水中生成碳酸錳沉淀和銨根離子；
（4）根據上面的分析可知，操作A是從硝酸銅溶液中獲得硝酸銅晶體，注意硝酸銅是受熱能分解的物質，據此答題；
（5）根據反應①2Cu₂S（s）+30₂ （g）═2Cu₂0（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ．mol^-l，②2Cu₂0（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+S0₂（g）△H=+116．O kJ．mol^-l，利用蓋斯定律可知，將（①+②）÷3即得Cu₂S與0₂加熱反應生成Cu的熱化學方程式；
（6）根據銅元素守恒及n=$\frac{m}{M}$計算出硝酸銅的物質的量．

解答 解：輝銅礦主要含有硫化亞銅（Cu₂S），還有Fe₂0₃、Si0₂及一些不溶性雜質，加入硫酸溶液及二氧化錳溶解浸取過濾，過濾得濾渣，萃取回收硫單質；在濾液中調節(jié)溶液的pH值，使鐵離子沉淀而除去，所以沉淀M為氫氧化鐵，過濾在濾液中加碳酸氫銨和氨氣得碳酸錳沉淀，將濾液進行蒸氨、過濾得氧化銅，氧化銅中加入硝酸，經過蒸發(fā)濃縮、降溫結晶得到硝酸銅晶體，
（1）根據工藝流程浸取時的反應：Cu₂S+MnO₂+H₂SO₄→MnSO₄+CuSO₄+H₂O+S，根據化合價的升降配平，Cu₂S整體升高4，MnO₂下降2，最小公倍數4，MnO₂和MnSO₄的系數為2，Cu₂S的系數為1，根據原子個數守恒，配平其他，反應的離子方程式為：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O，
故答案為：2MnO₂+Cu₂S+4H₂SO₄=S↓+2CuSO₄+2MnSO₄+4H₂O；
（2）調節(jié)pH使鐵離子轉化成氫氧化鐵完全沉淀，根據表中數據使鐵離子溶液完全，則3.2≤pH，且不使銅離子沉淀，則pH＜4.4，所以pH值范圍為：3.2≤pH＜4.4，
故答案為：鐵離子轉化成氫氧化鐵完全沉淀；3.2≤pH＜4.4；
（3）錳離子與碳酸氫根離子在氨水中生成碳酸錳沉淀和銨根離子，反應的離子方程式為：Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺，
故答案為：Mn²⁺+NH₃+HCO₃^-=MnCO₃↓+NH₄⁺；
（4）根據上面的分析可知，操作A是從硝酸銅溶液中獲得硝酸銅晶體，注意硝酸銅是受熱能分解的物質，所以操作A為蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶，
故答案為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶；
（5）根據反應①2Cu₂S（s）+30₂ （g）═2Cu₂0（s）+2SO₂（g）△H=-768.2kJ．mol^-l，②2Cu₂0（s）+Cu₂S（s）═6Cu（s）+S0₂（g）△H=+116．O kJ．mol^-l，利用蓋斯定律可知，將（①+②）÷3即得Cu₂S與0₂加熱反應生成Cu的熱化學方程式為：Cu₂S（s）+0₂ （g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l ，
故答案為：Cu₂S（s）+0₂（g）═2Cu（s）+SO₂（g）△H=-217.4kJ．mol^-l；
（6）1.6kg這樣的輝銅礦含有Cu₂S的質量為85%×1.6kg，根據銅元素守恒可知，能生成Cu（N0₃）₂的物質的量為：$\frac{1600g×85%×95%×（1-3%）×（1-5%）}{160g/mol}$×2≈14.9mol，
故答案為：14.9mol．

點評 本題考查了制備方案的設計，題目難度中等，明確實驗目的及化學實驗基本操作方法為解答關鍵，注意掌握制備方案設計與評價的原則，試題知識點較多、綜合性較強，充分培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學實驗、化學計算能力．