Question

【題目】黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦等是工業(yè)煉銅的常用原料。完成下列計(jì)算：

(1)某種黃銅礦中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25，生產(chǎn)1噸純銅理論上需要這種銅礦_______噸。

(2)實(shí)驗(yàn)室以黃銅礦為原料模擬工業(yè)煉銅時(shí)會(huì)產(chǎn)生SO2，用200 mL 1 mol/L的NaOH溶液吸收后，將溶液低溫蒸干，得到不含結(jié)晶水的固體19.98 g，求所得固體的成分及物質(zhì)的量。__________

(3)斑銅礦的主要成分M由Cu、Fe、S三種元素組成，其中Cu、Fe元素的質(zhì)量比為40∶7。常溫下將5.04 g M粉末全部溶于過量濃HNO3中，反應(yīng)后的溶液加水稀釋至500 mL，測(cè)得其pH=0。向溶液中滴加5 mol/L的NaOH溶液，當(dāng)加入126 mL后，沉淀質(zhì)量不再增加，求M的化學(xué)式。__________

(4)以輝銅礦為原料火法煉銅，其原理是：

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

將含3 mol Cu2S的輝銅礦與一定量的空氣（氮?dú)狻⒀鯕獾捏w積比為4：1）在密閉容器中充分反應(yīng)(假設(shè)各步反應(yīng)都完全)，得到單質(zhì)銅3 mol，求所得氣體中SO2的體積分?jǐn)?shù)。__________

Answer 1

【答案】4噸 n(NaHSO3)=0.18 mol；n(Na2SO3)=0.01 mol Cu5FeS4(或FeCu5S4) 若Cu2S過量，SO2%=20%，若Cu2O過量，SO2%=16.7%。

【解析】

(1)根據(jù)元素守恒，礦石中銅的質(zhì)量等于純銅的質(zhì)量計(jì)算；

(2)NaOH的物質(zhì)的量n(NaOH)=1 mol/L×0.2 L=0.2 mol，假設(shè)固體全為Na2SO3，則其質(zhì)量為m(Na2SO3)=×0.2 mol×126 g/mol=12.6 g<19.98 g；假設(shè)固體全是NaHSO3，則其質(zhì)量為m(NaHSO3)=0.2 mol×104 g/mol=20.8 g>19.98 g，故固體為Na2SO3、NaHSO3的混合物，根據(jù)鈉離子守恒與二者總質(zhì)量列方程計(jì)算各自物質(zhì)的量；

(3)根據(jù)Cu、Fe元素的質(zhì)量比為40：7計(jì)算n(Cu)：n(Fe)，當(dāng)加水稀釋至500 L時(shí)測(cè)得其pH為0，此時(shí)氫離子濃度為1 mol/L，氫氧化鈉先中和氫離子，然后將金屬離子轉(zhuǎn)化為沉淀，此時(shí)根據(jù)元素守恒可計(jì)算消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量n(NaOH)=2n(Cu2+)+3n(Fe3+)+n(H+)，聯(lián)立可以計(jì)算n(Cu)、n(Fe)，進(jìn)而計(jì)算S元素物質(zhì)的量，再計(jì)算三元素物質(zhì)的量之比確定化學(xué)式；

(4)已知2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2，Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑，反應(yīng)得到單質(zhì)銅3 mol，根據(jù)方程式計(jì)算生成二氧化硫，結(jié)合空氣中氧氣和氮?dú)獾暮�量�?jì)算。

(1)黃銅礦中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25，則生產(chǎn)1噸純銅，需礦石的質(zhì)量m=1噸÷0.25=4噸；

(2)200 mL 1 mol/L的NaOH溶液中含NaOH的物質(zhì)的量為n(NaOH)=1 mol/L×0.2 L=0.2 mol，根據(jù)Na元素守恒，用極值方法計(jì)算，假設(shè)反應(yīng)后得到的固體全為Na2SO3，m(Na2SO3)=×0.2 mol×126 g/mol=12.6 g<19.98g；假設(shè)反應(yīng)得到的固體全是NaHSO3，則其質(zhì)量為m(NaHSO3)=0.2 mol×104 g/mol=20.8 g>19.98 g，說明得到固體為Na2SO3、NaHSO3的混合物，設(shè)Na2SO3、NaHSO3的物質(zhì)的量分別為x mol、y mol，則：由二者總質(zhì)量：126x+104y=19.98

根據(jù)Na元素守恒：2x+y=0.2，解得x=0.01 mol，y=0.18 mol，所以最后所得固體中含有Na2SO3為0.01 mol，NaHSO3為0.18 mol；

(3)由斑銅礦Cu、Fe元素的質(zhì)量比為40：7，可得二者的物質(zhì)的量的比n(Cu)：n(Fe)=：=5：1，當(dāng)加水稀釋至500 L時(shí)測(cè)得其pH為0，此時(shí)氫離子濃度為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+，然后將Cu2+、Fe3+轉(zhuǎn)化為Cu(OH)2、Fe(OH)3沉淀，所以根據(jù)Na元素守恒，當(dāng)恰好形成沉淀時(shí)，溶液2n(Cu2+)+3n(Fe3+)=5 mol/L×0.126 L-1 mol/L×0.5 L=0.13 mol，兩式聯(lián)立解得：n(Cu)=0.05 mol，n(Fe)=0.01 mol，

故斑銅礦中S元素的質(zhì)量m(S)=5.04 g-0.01 mol×56 g/mol-0.05 mol×64 g/mol=1.28 g，則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的化學(xué)式為FeCu5S4；

(4)將含3 mol Cu2S的輝銅礦與一定量的空氣(氮?dú)狻⒀鯕獾捏w積比4：1)在密閉容器中充分反應(yīng)(假設(shè)各步反應(yīng)都完全)，得到單質(zhì)銅3 mol。

若Cu2S過量，由2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2可知1 mol Cu2S反應(yīng)會(huì)消耗1.5 mol O2，反應(yīng)產(chǎn)生1 mol Cu2O和1 mol SO2，然后發(fā)生反應(yīng)Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑，1 mol Cu2O消耗0.5 molCu2S，反應(yīng)產(chǎn)生3 mol Cu和0.5 mol SO2，則反應(yīng)消耗氧氣為1.5 mol，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量是氧氣的4倍，則氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為6 mol，反應(yīng)共生成的SO2的物質(zhì)的量為0.5 mol+1 mol=1.5 mol，故所得氣體中的SO2的體積分?jǐn)?shù)為：×100%=20%；

若Cu2O過量，由Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2↑可知反應(yīng)產(chǎn)生3 mol Cu，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生0.5 mol SO2，反應(yīng)消耗0.5 mol Cu2S和1 mol Cu2O，發(fā)生2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2的Cu2S為2.5 mol，反應(yīng)消耗3.75 mol O2，同時(shí)得到2.5 mol Cu2O和2.5 mol SO2，反應(yīng)消耗氧氣為3.75 mol，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量是氧氣的4倍，則氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為3.75 mol ×4=15 mol，共生成的SO2為0.5 mol+2.5 mol=3 mol，則所得氣體中的SO2的體積分?jǐn)?shù)為：×100%=16.7%。