Question

信息時代產生的大量電子垃圾對環(huán)境構成了極大的威脅．某化學興趣小組將一批廢棄的線路板簡單處理后，得到主要含Cu、Al及少量Fe、Au、Pt等金屬的混合物，設計了如下制備硫酸銅晶體和硫酸鋁晶體的路線：

部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH見下表

沉淀物	Fe（ OH）2	Fe（ OH）3	Al（ OH）3	Cu（ OH）2
開始沉淀	5.8	1.1	4.0	5.4
完全沉淀	8.8	3.2	5.2	6.7

請回答下列問題：
（1）請寫出Cu溶于H₂O₂與稀硫酸混合溶液的離子方程式是

 

．
（2）第②步中應將溶液pH調節(jié)至

 

．
（3）由濾渣2制取Al₂（SO₄）₃?18H₂O，探究小組設計了兩種方案：

你認為

 

種方案為最佳方案，理由是

 

、

 

．
（4）CuS飽和溶液溶度積K_SP=C（Cu²⁺）?C（S^2-）．已知t℃時CuS的離子積K_SP=9.0×10^-36
①寫出CuS沉淀溶解平衡的表達式

 

；
②該溫度下CuS溶解度為

 

；
③CuSO₄溶液中加入Na₂S沉淀劑，要使溶液中Cu²⁺沉淀完全，則溶液中的C（S^2-）應達到

 

．

Answer 1

考點：物質分離和提純的方法和基本操作綜合應用

專題：實驗設計題

分析：Cu、Al及少量Fe、Au、Pt等金屬的混合物中加入硫酸和濃硝酸的混合物溶解，可以得到鐵鹽、鋁鹽、銅鹽等，Au、Pt等不容無可以濾出，向混合液中加入雙氧水和氫氧化鈉，加H₂O₂的作用是把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，該氧化劑的優(yōu)點是不引入雜質，產物對環(huán)境物污染，調溶液PH的目的是使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，依據圖表數據分析可知，溶液PH調節(jié)為5.2～5.4，使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，銅離子不沉淀，向沉淀物質中加入氫氧化鈉可以實現氫氧化鐵和氫氧化鈉的分離，先在濾渣中加NaOH和Al（OH）₃反應生成NaAlO₂，再在濾液中加H₂SO₄生成Al₂（SO₄）₃，蒸發(fā)、冷卻、結晶、過濾可得硫酸鋁晶體．
（1）過氧化氫做氧化劑被還原為水，產物無污染，硝酸做氧化劑會被還原生成氮氧化物污染空氣；銅在酸溶液中被過氧化氫氧化為銅離子，本身被還原為水，依據原子守恒、電荷守恒配平寫出離子方程式；
（2）依據流程分析加入氧化劑氧化亞鐵離子為鐵離子后，加入氫氧化鈉調節(jié)溶液PH使鐵離子和鋁離子全部沉淀，銅離子不沉淀；
（3）濾渣2的成分為氫氧化鐵和氫氧化鋁，依據實驗方案過程分析制備晶體中是否含有雜質，使用的試劑作用，原料的利用率，原子利用率因素分析判斷；
（4）①根據沉淀溶解平衡的書寫方法來回答；
②先根據CuS的溶度積K_sp=9.0×10^-36，求出硫離子的濃度，設溶液的體積為1L，求出溶解的CuS的質量，然后根據

溶解度

100

=

溶質的質量

溶劑的質量

求出CuS在該溫度下的溶解度．
③Ksp=c（Cu²⁺）?c（S^2-），銅離子的濃度達到1×10^-5mol/L即認為沉淀完全，據此計算．

解答： 解：Cu、Al及少量Fe、Au、Pt等金屬的混合物中加入硫酸和濃硝酸的混合物溶解，可以得到鐵鹽、鋁鹽、銅鹽等，Au、Pt等不容無可以濾出，向混合液中加入雙氧水和氫氧化鈉，加H₂O₂的作用是把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，該氧化劑的優(yōu)點是不引入雜質，產物對環(huán)境物污染，調溶液PH的目的是使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，依據圖表數據分析可知，溶液PH調節(jié)為5.2～5.4，使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，銅離子不沉淀，向沉淀物質中加入氫氧化鈉可以實現氫氧化鐵和氫氧化鈉的分離，先在濾渣中加NaOH和Al（OH）₃反應生成NaAlO₂，再在濾液中加H₂SO₄生成Al₂（SO₄）₃，蒸發(fā)、冷卻、結晶、過濾可得硫酸鋁晶體．
（1）過氧化氫做氧化劑被還原為水，產物無污染，銅在酸溶液中被過氧化氫氧化為銅離子，本身被還原為水，反應的離子方程式為：Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O；
故答案為：Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O；
（3）加H₂O₂的作用是把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，該氧化劑的優(yōu)點是不引入雜質，產物對環(huán)境物污染．調溶液PH的目的是使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，依據圖表數據分析可知，溶液PH調節(jié)為5.2～5.4，使Fe³⁺和Al³⁺形成沉淀，銅離子不沉淀，所以濾液2的成分是Cu²⁺，濾渣2的成分為氫氧化鐵和氫氧化鋁，
故答案為：5.2～5.4；
（4）制備硫酸鋁晶體的甲、乙兩種方法中，甲方案先在濾渣中加H₂SO₄，生成Fe₂（SO₄）₃和Al₂（SO₄）₃，再加Al粉和Fe₂（SO₄）₃生成Al₂（SO₄）₃，蒸發(fā)、冷卻、結晶、過濾可得硫酸鋁晶體；乙方案先在濾渣中加NaOH和Al（OH）₃反應生成NaAlO₂，再在濾液中加H₂SO₄生成Al₂（SO₄）₃，蒸發(fā)、冷卻、結晶、過濾可得硫酸鋁晶體；但從原子利用角度考慮方案甲最合理，因為乙加的NaOH和制備的Al₂（SO₄）₃的原子組成沒有關系，造成原子浪費，
所以上述兩種方案中：從原子利用率和是否產生雜質考慮知，甲方案更合理，
故答案為：甲；甲得到產品純度高、原子利用率高；
（4）①CuS沉淀溶解平衡的表達式為：CuS（S）?Cu²⁺（aq）+S^2-（aq），
故答案為：CuS（S）?Cu²⁺（aq）+S^2-（aq）；
②CuS的溶度積K_sp=9.0×10^-36，則C（Cu²⁺）=3×10^-18mol/L，設溶液的體積為1L，n（CuS）=n（Cu²⁺）=3×10^-18mol/L×1L=3×10^-18mol，溶解的CuS的質量為3×10^-18mol×96g/mol=2.88×10^-16g，溶液的質量為：1000ml×1g?mL^-1₌1000g，水的質量為1000g-2.88×10^-16g≈1000g，CuS在該溫度下的溶解度是

2.88×10-16g×100

1000

=2.88×10^-17g，
故答案為：2.88×10^-17g；
③CuSO₄溶液中加入Na₂S沉淀劑，要使溶液中Cu²⁺沉淀完全，即銅離子的濃度達到1×10^-5mol/L即認為沉淀完全，則溶液中的C（S^2-）=

Ksp

c(Cu2+)

=

9.0×10-36

1×10-5

mol/L=9×10^-31mol/L，
故答案為：9×10^-31mol/L．

點評：本題考查物質的分離、實驗設計、試劑選擇等知識點，明確離子的性質是解本題關鍵，題目難度中等．