Question

13．某化學(xué)興趣小組利用工業(yè)廢棄固體（主要成分為Cu₂S和FeS₂）制備硫酸銅溶液和硫酸亞鐵晶體，設(shè)計方案如圖所示：

已知：T℃時，K_sp[Cu（OH）₂]=2.0×10^-20，K_sp[Fe（OH）₂]=6.0×10^-16，K_sp[Fe（OH）₃]=1.0×10^-38．
（1）為了提高廢棄固體的灼燒速率，可以采取的措施有將廢棄固體粉碎成細小的顆粒、通入氧氣（寫出兩條）．
（2）FeS₂在空氣中灼燒時氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為11：4．
（3）溶液C在氮氣的環(huán)境下，通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥制取硫酸亞鐵晶體．
（4）常溫下，固體D、O₂和稀硫酸混合后幾乎不反應(yīng)，但加入少量溶液C立即發(fā)生反應(yīng)，則溶液C對該反應(yīng)起催化作用，其中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺．
（5）除雜時先加入雙氧水，然后加入試劑Z調(diào)節(jié)溶液的pH值使鐵離子完全沉淀：
①加入的試劑Z可以是BC．
A． NaOH         B．CuO        C．Cu（OH）₂        D．NH₃•H₂O
②若除雜時溶液中Cu²⁺濃度為2.0mol•L^-1，則加入試劑Z調(diào)節(jié)溶液的pH至3≤pH＜4．

Answer 1

分析 工業(yè)廢棄固體（主要成分為Cu₂S和FeS₂）灼燒得氧化銅和氧化鐵及二氧化硫氣體，所以E為SO₂，固體A為氧化銅和氧化鐵的混合物，A中加入硫酸溶解，再加入過量的鐵粉，得硫酸亞溶液和銅固體，過濾后得到溶液C為FeSO₄溶液，固體B為鐵、銅混合物，B中加入稀硫酸得硫酸亞鐵溶液和銅固體，所以固體D為Cu，硫酸亞鐵溶液蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶可得綠礬晶體，銅與稀硫酸溶液中通入氧氣除雜后得硫酸銅溶液，
（1）固體接觸面積大小及氧氣濃度等會影響反應(yīng)速率；
（2）FeS₂在空氣中灼燒生成氧化鐵與二氧化硫，根據(jù)反應(yīng)方程式計算；
（3）從溶液中獲得晶體，需要經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌等操作；
（4）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；
（5）①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)；
②根據(jù)K_sp[Cu（OH）₂]=c（Cu²⁺）×c²（OH^-）=2.0×10^-20計算銅離子開始沉淀時的c（OH^-），然后根據(jù)水的離子積計算c（H⁺）；Fe³⁺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計算鐵離子完全沉淀時的氫氧根離子濃度，然后計算出此時溶液的pH，從而可知需要調(diào)節(jié)的溶液pH范圍．

解答 解：工業(yè)廢棄固體（主要成分為Cu₂S和FeS₂）灼燒得氧化銅和氧化鐵及二氧化硫氣體，所以E為SO₂，固體A為氧化銅和氧化鐵的混合物，A中加入硫酸溶解，再加入過量的鐵粉，得硫酸亞溶液和銅固體，過濾后得到溶液C為FeSO₄溶液，固體B為鐵、銅混合物，B中加入稀硫酸得硫酸亞鐵溶液和銅固體，所以固體D為Cu，硫酸亞鐵溶液蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶可得綠礬晶體，銅與稀硫酸溶液中通入氧氣除雜后得硫酸銅溶液，
（1）FeS₂在空氣中灼燒生成氧化鐵與二氧化硫，反應(yīng)方程式為4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，F(xiàn)eS₂固體的接觸面積越小，反應(yīng)速率越快，通入氧氣的量越多，反應(yīng)速率越快，所以提高廢棄固體的灼燒速率措施為：將廢棄固體粉碎成細小的顆粒或通入氧氣，
故答案為：將廢棄固體粉碎成細小的顆粒；通入氧氣；
（2）反應(yīng)方程式為4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，該反應(yīng)中FeS₂為還原劑，O₂為氧化劑，則FeS₂在空氣中灼燒時氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比=11：1，
故答案為：11：4；
（3）溶液C通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾等操作得到硫酸亞鐵晶體，
故答案為：蒸發(fā)濃縮；冷卻結(jié)晶；
（4）酸性條件下，氧氣將亞鐵離子氧化為鐵離子，鐵離子與Cu反應(yīng)生成銅離子與亞鐵離子，整個過程中亞鐵離子起催化劑作用，則催化過程中反應(yīng)的離子方程式為：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺，
故答案為：催化；4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O、Cu+2Fe³⁺=2Fe²⁺+Cu²⁺；
（5）①除雜時需加入雙氧水將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再加試劑Z調(diào)節(jié)溶液pH以除去Fe³⁺，加入試劑Y要不引入新雜質(zhì)且可以與氫離子反應(yīng)，試劑Y為CuO、Cu（OH）₂、CuCO₃等，故BC正確，
故答案為：BC；
②Cu²⁺濃度為2.0mol•L^-1，根據(jù)K_sp[Cu（OH）₂]=c（Cu²⁺）×c²（OH^-）=2.0×10^-20可知銅離子開始沉淀時溶液中氫氧根離子濃度為：c（OH^-）=$\sqrt{\frac{2.0×1{0}^{-20}}{2.0}}$mol/L=1.0×10^-10mol/L，c（H⁺）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1×1{0}^{-10}}$mol/L=1.0×10^-4mol/L，溶液pH=-lg1.0×10^-4=4，
Fe³⁺離子濃度小于10^-5mol/L時沉淀完全，由K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=1.0×10^-38，可得c（OH^-）=1.0×10^-11mol/L，則c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-11}}$mol/L=1.0×10^-3mol/L，溶液pH=-lg1.0×10^-3=3，
所以需要調(diào)節(jié)溶液pH范圍為：3≤pH＜4，
故答案為：3≤pH＜4．

點評 本題考查制備方案的設(shè)計，題目難度中等，涉及對操作與試劑的分析評價、物質(zhì)分離提純、條件控制等知識，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)．