Question

7．銅、鉻都是用途廣泛的金屬．工業上利用電鍍污泥（主要含有Fe₂O₃、CuO、Cr₂O₃及部分難溶雜質）回收金屬銅和鉻的流程如圖甲，已知：部分物質沉淀的pH如表：

	Fe3+	Cu2+	Cr3+
開始沉淀pH	2.1	4.7	4.3
完全沉淀pH	3.2	6.7	a

CaSO₄的溶解度曲線如圖乙，請回答下列問題：
（1）濾液I中所含溶質主要有Fe₂（SO₄）₃、Cr₂（SO₄）₃、CuSO₄（填化學式）．
（2）第②步操作中，先加人Ca（OH）₂調節溶液的pH，調節范圍為3.2≤pH＜4.3，然后將濁液加熱至80℃趁熱過濾，所得濾渣Ⅱ的成分為Fe（OH）₃、CaSO₄．
（3）第③步操作中，發現除了生成磚紅色沉淀外，還產生了無色刺激性氣味的氣體．寫出該步驟中發生反應的離子方程式2H₂O+HSO₃^-+2Cu²⁺=Cu₂O↓+SO₄^2-+5H⁺、HSO₃^-+H⁺=SO₂↑+H₂O
（4）當離子濃度≤1×10^-5mol•L^-1l時，可以認為離子沉淀完全．第④步操作中，若要使Cr³⁺完全沉淀，則室溫下溶液中a的最小值為5.6．（已知K_ap[Cr（OH）₃]=6.3×10^-31，$\root{3}{63}$≈4.0；lg4=0.6）
（5）Cr（OH）₃受熱分解為Cr₂O₃，用鋁熱法可以冶煉金屬鉻．寫出鋁熱法煉鉻的化學方程式Cr₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Al₂O₃+2Cr．

Answer 1

分析 向泥料中加入稀硫酸，發生反應Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O、Cr₂O₃+3H₂SO₄=Cr₂（SO₄）₃+3H₂O，然后過濾得到濾渣I和濾液I，濾液I中溶質為Fe₂（SO₄）₃、Cr₂（SO₄）₃、CuSO₄，向濾液中加入Ca（OH）₂，并調節溶液pH，根據流程圖中濾液II中含有Cr³⁺、Cu²⁺，不含 Fe³⁺，說明濾渣II中含有Fe（OH）₃，硫酸鈣屬于微溶物，所以沉淀II成分為Fe（OH）₃、CaSO₄，要使Cr³⁺、Cu²⁺不沉淀而Fe³⁺發生沉淀，根據離子生成沉淀需要pH值知，溶液的pH范圍為3.2-4.3之間；向濾液中加入NaHSO₃，亞硫酸氫鈉具有還原性、銅離子具有氧化性，二者發生氧化還原反應生成硫酸和磚紅色沉淀Cu₂O，硫酸和亞硫酸氫根離子反應生成二氧化硫，離子方程式為2H₂O+HSO₃^-+2Cu²⁺=Cu₂O↓+SO₄^2-+5H⁺、HSO₃^-+H⁺=SO₂↑+H₂O，過濾得到Cu₂O，向濾液中加入NaOH并調節溶液pH，發生反應Cr³⁺+3OH^-=Cr（OH）₃↓，濾液IV中含有NaOH、Na₂SO₄，據此分析解答．

解答 解：向泥料中加入稀硫酸，發生反應Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O、Cr₂O₃+3H₂SO₄=Cr₂（SO₄）₃+3H₂O，然后過濾得到濾渣I和濾液I，濾液I中溶質為Fe₂（SO₄）₃、Cr₂（SO₄）₃、CuSO₄，向濾液中加入Ca（OH）₂，并調節溶液pH，根據流程圖中濾液II中含有Cr³⁺、Cu²⁺，不含Fe³⁺，說明濾渣II中含有Fe（OH）₃，硫酸鈣屬于微溶物，所以沉淀II成分為Fe（OH）₃、CaSO₄，要使Cr³⁺、Cu²⁺不沉淀而Fe³⁺發生沉淀，根據離子生成沉淀需要pH值知，溶液的pH范圍為3.2-4.3之間；向濾液中加入NaHSO₃，亞硫酸氫鈉具有還原性、銅離子具有氧化性，二者發生氧化還原反應生成硫酸和磚紅色沉淀Cu₂O，硫酸和亞硫酸氫根離子反應生成二氧化硫，離子方程式為2H₂O+HSO₃^-+2Cu²⁺=Cu₂O↓+SO₄^2-+5H⁺、HSO₃^-+H⁺=SO₂↑+H₂O，過濾得到Cu₂O，向濾液中加入NaOH并調節溶液pH，發生反應Cr³⁺+3OH^-=Cr（OH）₃↓，濾液IV中含有NaOH、Na₂SO₄，
（1）通過以上分析知，濾液I中溶質成分為Fe₂（SO₄）₃、Cr₂（SO₄）₃、CuSO₄，故答案為：Fe₂（SO₄）₃、Cr₂（SO₄）₃、CuSO₄；
（2）Fe³⁺完全沉淀需要的pH≥3.2，pH=4.3時Cr³⁺開始產生沉淀，要使鐵離子完全沉淀而其它離子不沉淀，則pH范圍為：3.2≤pH＜4.3，通過以上分析知，沉淀II成分為Fe（OH）₃、CaSO₄，故答案為：3.2≤pH＜4.3； Fe（OH）₃、CaSO₄；
（3）亞硫酸氫鈉具有還原性、銅離子具有氧化性，二者發生氧化還原反應生成硫酸和磚紅色沉淀Cu₂O，硫酸和亞硫酸氫根離子反應生成二氧化硫，離子方程式為2H₂O+HSO₃^-+2Cu²⁺=Cu₂O↓+SO₄^2-+5H⁺、HSO₃^-+H⁺=SO₂↑+H₂O，
故答案為：2H₂O+HSO₃^-+2Cu²⁺=Cu₂O↓+SO₄^2-+5H⁺、HSO₃^-+H⁺=SO₂↑+H₂O；
（4）當離子濃度≤1×10^-5mol•L^-1時，可以認為離子沉淀完全，若要使Cr³⁺完全沉淀，則c（Cr³⁺）≤1×10^-5mol•L^-1，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp}{c（C{r}^{3+}）}}$=$\root{3}{\frac{6.3×1{0}^{-31}}{1{0}^{-5}}}$mol/L=4.0×10^-9 mol/L，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{4.0×1{0}^{-9}}$=2.5×10^-6mol/L，則溶液的pH=-lg2.5×10^-6=5.6，
故答案為：5.6；
（5）Cr₂O₃和Al高溫下發生鋁熱反應生成氧化鋁和Cr，反應方程式為Cr₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Al₂O₃+2Cr，故答案為：Cr₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Al₂O₃+2Cr．

點評 本題考查物質的分離和提純綜合應用，為高考高頻點，涉及難溶物的溶解平衡、金屬冶煉、基本實驗操作等知識點，側重考查分析、計算及實驗操作能力，熟悉流程圖中涉及的反應、基本操作，難點是溶度積常數計算．