Question

19．以某含銅礦石[主要成分為FeCu₄SiO₃（OH）₄，含少量SiO₂、CuCO₂]為原料，制備CuSO₄•5H₂O的流程如圖：

已知：i．溶液中離子濃度小于等于1.0×10^-5mol•L^-1時(shí)，認(rèn)為該離子沉淀完全；
ii．相關(guān)試劑成分和價(jià)格如表1所示；
iii.25℃時(shí)，該流程中金屬離子生成氫氧化物時(shí)，開(kāi)始沉淀和沉淀完全的pH如表2所示．
表1

試劑	成分	價(jià)格/（元•噸-1）
漂液	含25.2% NaClO	450
雙氧水	含30% H2O2	2400
濃硝酸	含98% HNO3	1500

表2

氫氧化物	開(kāi)始沉淀的pH	沉淀完全的pH
Fe（OH）2	7.6	9.6
Fe（OH）3	2.7	3.7
Cu（OH）2	4.0	6.5

請(qǐng)回答：
（1）FeCu₄SiO₃（OH）₄用氧化物的形式可表示為FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O；
（2）結(jié)合題中信息，所選用的試劑1的名稱為漂液，加入該試劑時(shí)，所發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O；
（3）加入試劑2，需調(diào)節(jié)溶液的pH的合理范圍為3.7≤pH＜4.0，試劑2可以選擇下列物質(zhì)中的BC（填字母）
A．Cu  B．CuO   C．Cu（OH）₂  D．Fe
（4）25℃時(shí)，Cu（OH）₂  的溶度積常數(shù)K_sp[Cu（OH）₂]=1.0×10^-20；
（5）CuSO₄•5H₂O溶液可用于電解精煉銅，電解精煉銅時(shí)，導(dǎo)線中通過(guò)9.632×10⁴C的電量，理論上陰極質(zhì)量增加32g（已知：1個(gè)電子的電量為1.6×10^-19C）

Answer 1

分析 制備CuSO₄•5H₂O的流程：含銅礦石[主要成分為FeCu₄SiO₃（OH）₄，含少量SiO₂、CuCO₃]，F(xiàn)eCu₄SiO₃（OH）₄中銅為+2價(jià)，鐵為+2價(jià)，用氧化物的形式可表示為FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O，二氧化硅與硫酸不反應(yīng)，用稀硫酸溶液，發(fā)生反應(yīng)：Cu₂（OH）₂CO₃+2H₂SO₄=2CuSO₄+CO₂↑+3H₂O、FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，溶液1中含有CuSO₄、FeSO₄及未反應(yīng)的H₂SO₄，溶液3可以得到硫酸銅晶體，則溶液1中加入氧化劑將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再用試劑2CuO調(diào)節(jié)溶液pH，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃沉淀過(guò)濾除去，為防止引入新雜化，試劑①為漂液．溶液3經(jīng)過(guò)加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾、洗滌等得到硫酸銅晶體．
（1）硅酸鹽由鹽的書寫改寫為氧化物的形式即改寫的一般方法歸納為：堿性氧化物、兩性氧化物、酸性氧化物、水（xMO•nSiO₂•mH₂O）．注意：①氧化物之間以“•”隔開(kāi)；②系數(shù)配置出現(xiàn)的分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù)；
（2）依據(jù)圖表數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)效益分析，具有氧化性的漂液符合條件，在酸溶液中氧化亞鐵離子為鐵離子，根據(jù)氧化還原反應(yīng)和離子方程式的書寫方法書寫離子方程式；
（3）加入試劑2，需調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為沉淀予以分離，且不能引入新的雜質(zhì)，加入CuO或氫氧化銅，根據(jù)調(diào)節(jié)溶液的pH，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為沉淀予以分離，且不能沉淀氫氧化銅沉淀這一要求選擇PH范圍；
（4）根據(jù)溶度積表達(dá)式為離子的濃度的冪次方之積來(lái)進(jìn)行書寫，Cu（OH）₂的溶度積表達(dá)式是Ksp=c（Cu²⁺）•c²（OH^- ）；
（5）電解精煉銅時(shí)，陽(yáng)極電極反應(yīng)式為Cu-2e^-=Cu ²⁺、陰極反應(yīng)式為Cu²⁺+2e^-=Cu，根據(jù)轉(zhuǎn)移的電子物質(zhì)的量計(jì)算理論上陰極增加的質(zhì)量．

解答 解：（1）硅酸鹽由鹽的書寫改寫為氧化物的形式：金屬氧化物在前（活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物），非金屬氧化物在后，若同一元素有變價(jià)，那么低價(jià)在前，高價(jià)在后，H₂O一般寫在最后，F(xiàn)eCu₄SiO₃（OH）₄中銅為+2價(jià)，鐵為+2價(jià)，用氧化物的形式可表示為FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O，
故答案為：FeO•4CuO•SiO₂•2H₂O；
（2）根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒，氧化1molFe²⁺，需次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、硝酸的物質(zhì)的量分別為0.5mol、0.5mol、1mol，質(zhì)量分別為37.25g、17g、63g，根據(jù)提供的原料價(jià)格可以看出，費(fèi)用分別為37.25g÷25.2%×450元÷10⁶g=0.067元，17g÷30%×2400元÷10⁶g=0.136元，63g÷98%×1500元÷10⁶g=0.096元，故選漂液可以節(jié)約成本，引入的離子不干擾后續(xù)生產(chǎn)，加入該試劑時(shí)，反應(yīng)的離子方程為：ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O，
故答案為：漂液；ClO^-+2Fe²⁺+2H⁺=Cl^-+2Fe³⁺+H₂O；
（3）加入試劑2，需調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為沉淀予以分離，且不能沉淀氫氧化銅沉淀，且不引入新的雜質(zhì)，加入CuO或氫氧化銅，氫氧化物完全沉淀：Fe³⁺沉淀完全的pH為3.7，氫氧化物開(kāi)始沉淀Cu²⁺pH為4.0，調(diào)節(jié)溶液pH，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為沉淀予以分離，且不能沉淀氫氧化銅沉淀，所以pH取值范圍為3.7≤pH＜4.0，
故答案為：3.7≤pH＜4.0；BC；
（4）由表中的信息可知，25℃時(shí)，Cu²⁺完全沉淀，C（Cu²⁺）=1.0×10^-5mol/L，溶液的PH=6.5，C（OH^-）=10^-7.5mol/L，溶度積表達(dá)式為離子的濃度的冪次方之積，所以Cu（OH）₂的溶度積表達(dá)式是Ksp=c（Cu²⁺）•c²（OH^- ）=1.0×10^-5mol/L×（10^-7.5mol/L）²=1.0×10^-20，
故答案為：1.0×10^-20；
（5）電解精煉銅時(shí)，導(dǎo)線中通過(guò)9.632×10⁴C的電量，轉(zhuǎn)移的電子物質(zhì)的量為：$\frac{9.632×1{0}^{4}}{1.6×1{0}^{-19}×6.02×1{0}^{23}}$=1mol，陰極反應(yīng)式為Cu²⁺+2e^-=Cu，則理論上陰極質(zhì)量增加0.5mol×64g/mol=32g，
故答案為：32g．

點(diǎn)評(píng) 本題考查CuSO₄•5H₂O制備及物質(zhì)分離和提純，為高考高頻點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、計(jì)算及實(shí)驗(yàn)操作能力，關(guān)鍵是明確實(shí)驗(yàn)原理及基本操作方法，知道流程圖中發(fā)生的反應(yīng)及操作方法是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．