Question

15．某學(xué)習(xí)小組利用某工業(yè)廢棄固體（主要成分為Cu₂S和Fe₂O₃）來研究相關(guān)物質(zhì)的制備．設(shè)計方案如圖所示：

已知：K_sp=6.0×10^-20，K_sp=1.6×10^-14，K_sp=1.0×10^-38
（1）廢棄固體在空氣中灼燒發(fā)生反應(yīng)（有2種元素被氧化）的化學(xué)方程式為Cu₂S+2O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CuO+SO₂．
（2）溶液C通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾等操作得到Fe₂（SO₄）₃晶體．
（3）常溫下，銅粉、O₂和稀硫酸三者在一起生成硫酸銅反應(yīng)極慢．當(dāng)往其中加入溶液D后，隨即生成硫酸銅．這一過程中反應(yīng)的化學(xué)方程式依次為4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄=2Fe₂（SO₄）₃+2H₂O和Fe₂（SO₄）₃+Cu=CuSO₄+2FeSO₄．溶液D在這一過程中所起的作用是催化劑．
（4）操作⑧的目的是制取較純的硫酸銅溶液．溶液E中加入試劑Y以調(diào)節(jié)pH使得鐵元素全部形成沉淀（含鐵元素的離子濃度小于10^-5 mol•L^-1）．試劑Y可以是CuO（或Cu（OH）₂、CuCO₃等），溶液的pH至少調(diào)節(jié)為3．

Answer 1

分析 廢棄固體主要成分Cu₂S和Fe₂O₃等，灼燒廢氣固體發(fā)生反應(yīng)Cu₂S+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SO₂+2CuO，所以固體A是CuO和Fe₂O₃，固體和稀硫酸混合，發(fā)生的反應(yīng)為CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，加入過量Fe屑，發(fā)生反應(yīng)CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu、2Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，所以固體B成分是Fe、Cu，濾液B成分為FeSO₄，通過試劑X得到硫酸鐵溶液，則試劑X為氧化劑，硫酸鐵溶液中加入過量的鐵粉得到溶液D硫酸亞鐵溶液，銅與稀硫酸溶液中通入氧氣和硫酸亞鐵溶液混合得溶液E，溶液E為硫酸亞鐵和硫酸銅混合溶液，再加氧化劑氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)pH沉淀鐵離子，得到硫酸銅溶液，以此解答該題．

解答 解：廢棄固體主要成分Cu₂S和Fe₂O₃等，灼燒廢氣固體發(fā)生反應(yīng)Cu₂S+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SO₂+2CuO，所以固體A是CuO和Fe₂O₃，固體和稀硫酸混合，發(fā)生的反應(yīng)為CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，加入過量Fe屑，發(fā)生反應(yīng)CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu、2Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，所以固體B成分是Fe、Cu，濾液B成分為FeSO₄，通過試劑X得到硫酸鐵溶液，則試劑X為氧化劑，硫酸鐵溶液中加入過量的鐵粉得到溶液D硫酸亞鐵溶液，銅與稀硫酸溶液中通入氧氣和硫酸亞鐵溶液混合得溶液E，溶液E為硫酸亞鐵和硫酸銅混合溶液，再加氧化劑氧化亞鐵離子為鐵離子，調(diào)節(jié)pH沉淀鐵離子，得到硫酸銅溶液，
（1）廢棄固體主要成分Cu₂S和Fe₂O₃等，灼燒廢氣固體發(fā)生反應(yīng)Cu₂S+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SO₂+2CuO；
故答案為：Cu₂S+2O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CuO+SO₂；
（2）溶液C通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾等操作得到硫酸亞鐵晶體；
故答案為：蒸發(fā)濃縮；冷卻結(jié)晶；
（3）酸性條件下，氧氣將亞鐵離子氧化為鐵離子，鐵離子與Cu反應(yīng)生成銅離子與亞鐵離子，整個過程中亞鐵離子起催化劑作用，則催化過程中反應(yīng)的方程式為：4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄=2Fe₂（SO₄）₃+2H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Cu=CuSO₄+2FeSO₄；溶液D未發(fā)生變化，作催化劑；
故答案為：Fe₂（SO₄）₃+Cu=CuSO₄+2FeSO₄；催化劑
（4）除雜時需加入雙氧水將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再加試劑Z調(diào)節(jié)溶液pH以除去Fe³⁺，加入試劑Y要不引入新雜質(zhì)且可以與氫離子反應(yīng)，試劑Y為CuO、Cu（OH）₂、CuCO₃等，
鐵元素的離子濃度小于10^-5mol/L時沉淀完全，由K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=1.0×10^-38，可得c（OH^-）=1.0×10^-11mol/L，則c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-11}}$mol/L=1.0×10^-3mol/L，溶液pH=-lg1.0×10^-3=3；
故答案為：CuO（或Cu（OH）₂、CuCO₃等）；3．

點評 本題考查物質(zhì)制備工藝流程，涉及對操作與試劑的分析評價、物質(zhì)分離提純、條件控制等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實驗?zāi)芰Φ目疾椋�關(guān)鍵是理解實驗原理和操作流程，熟練掌握元素化合物性質(zhì)，題目難度中等．