从硫酸铜制备谈工业流程中的热点问题

从硫酸铜制备谈工业流程中的热点问题
【学习目标】
1．以硫酸铜晶体的制备为例，尝试将离子反应条件、氧化还原规律、沉淀溶解平衡原理、反应速率理论应用于工业生产流程的设计。

2．通过对硫酸铜晶体制备工艺的思考，回忆基本实验操作，加深对化工生产流程设计必须考虑的主要因素的理解和认识。

3．在不断优化硫酸铜生产工艺流程的过程中，体会化学学科的魅力。

【学习内容】
一、阅读下面的材料，了解设计化工生产流程的基本要求，认识我国硫酸铜工业的现状。

化工生产工艺流程的选择，一般有以下几个基本要求：原料价廉易得，成本低；生产条件易于控制，设备简单，能耗低，污染少，反应快，效率高；产品质量稳定，满足应用需要。

原料不同，硫酸铜生产工艺不同。

工业上生产硫酸铜的原料主要有两大类：一类是铜矿石为原料，另一类是以单质铜（各种工业生产中的废铜）为原料。

铜矿石又分为两类，一是氧化物矿，另一是硫化物矿。

氧化物矿一般采用稀硫酸直接浸出法。

硫化物矿一般采用高温焙烧稀硫酸浸出法，将矿石粉粹至100目[注]左右，然后置于焙烧炉中焙烧，使硫化矿转化为氧化矿，再按氧化矿生产硫酸铜的方法操作，得硫酸铜产品。

我国氧化物矿资源贫乏，主要以硫化物矿为主，由于在焙烧硫化物矿石时有SO2气体逸出，容易造成污染。

因此本方法只适合用于建有与之配套的硫酸生产车间或设有其他消除SO2污染装置的企业采用。

以废铜和硫酸为原料制备硫酸铜是我国大多数工厂的制备方法。

想一想，下列工艺哪一种最适合工业上制备硫酸铜：
工艺1．浓硫酸直接氧化法Cu+2H2SO4(浓)△
CuSO4+SO2↑+2H2O
工艺2．高温灼烧氧化法2Cu+O2△
2CuO CuO+H2SO4=CuSO4+H2O
工艺3．液相空气氧化法将铜加入到20 %～30 %的稀硫酸溶液中，加热维持反应液的温度在
80 ℃左右，不断鼓入空气，当反应液的比重达一定程度时，停止通气，冷却结晶，分
离洗涤，干燥得产品。

2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O
二、下图是工业生产的流程图，请回答有关问题：
操作1.2.3的名称分别是，操作1需要的仪器是，操作3需要的仪器是。

得到的晶体常用冰水洗涤，目的是。

此法的优点是 。

其缺点是反应慢，产量低，设备效率太低。

如何提高化学反应的速率呢？
寻找替代氧气的氧化剂，也是提高反应速率的方法之一。

想一想，哪些常见氧化剂比氧气更易与铜反应？
三、研究
反应原理：
1.结合CuSO 4、Cu(NO 3)2不同温度下的溶解度（g ）数据，分析如果对CuSO 4、Cu(NO 3)2混合溶液加热蒸发，首先析出的晶体应该是 。

2.该法的存在问题是 ，改进方法是 。

3.改进后的流程图（请将下图补充完整）：
大多数催化剂能加快反应速率的原因是 。

不用硝酸作催化剂，可用硝酸盐代替吗？你认为最合适的硝酸盐应该是 。

四、研究2.
反应原理：
紫铜
H 2SO 4
FeSO 4
紫铜
H 2SO 4 HNO 3
紫铜
液
……
体
1.紫铜完全溶解后溶液中存在哪些物质？结合下表思考如何除去杂质？
0.1mol/L Cu 2+、Fe 3+开始沉淀和完全沉淀时的pH
2.分析理解下面的流程图：
五、反思与总结
设计化工生产流程需要考虑到因素有：
硫酸铜生产流程设计中用到的化学理论有：
六、巩固练习
1.在实验室为了探究生产硫酸铜的工艺流程，科研人员用紫杂铜、稀硝酸、稀硫酸生产硫酸铜。

（1）为了在处理尾气的同时，得到应用广泛的副产品Ca(NO
2)2，设计的生产流程如下：
①写出由紫铜生成硫酸铜的各步化学反应方程式
、。

得到的硫酸铜晶体常用酒精洗涤，目的是 。

②如果反应中生成的气体全部是NO ，为保证所有氮元素全部变成Ca(NO 2)2，则应控制通入氧气的体积和生成的气体(NO)体积比为 。

若大于这一比值，会导致 ，若小于这一比值，会导致 。

③生产Ca(NO 2)2时需保持弱碱性，在酸性溶液中Ca(NO 2)2会发生分解，产物之一是NO ，其反应的离子方程式为 。

紫铜
H 2SO 4 FeSO 4
O 2
…… 晶体
滤渣
紫铜混合溶液
硫酸铜晶体
…… 无水Ca(NO 2)2
（2）为了更好地处理尾气，有人把工艺流程修改为： ①写出该流程中所有反应的化学方程式
②制备等量硫酸铜，该流程消耗硝酸的量远少于（1），其原因是：
③从理论上分析，每产生1molCuSO 4
，应消耗氧气物质的量为 。

2. 废弃物的综合利用既有利于节约资源，又有利于保护环境。

实验室利用废弃旧电池的铜帽(Zn 、Cu 总含量约为99%)回收铜并制备ZnO 的部分实验过程如下：
(1)①铜帽溶解时加入H 2O 2的目的是 (用化学方程式表示)。

反应中有气泡产生，原因是 。

②铜帽溶解后需将溶液中过量H 2O 2除去。

除去H 2O 2的简便方法是 。

(2)为确定加入锌灰(主要成分为Zn 、ZnO ，杂质为铁及其氧化物)含量，实验中需测定除去H 2O 2后溶液中Cu 2＋
的含量。

实验操作为：准确量取一定体积的含有Cu 2＋
的溶液于带塞锥形瓶中，加适量水稀释，调节pH =3～4，加入过量KI ，用Na 2S 2O 3标准溶液滴定至终点。

上述过程中的离子方程式如下：2Cu 2＋
＋4I －
=2CuI(白色)↓＋I 2 I 2＋2S 2O 32－
=2I －
＋S 4O 62－
①滴定选用的指示剂为 ，滴定终点观察到的现象为 。

②若滴定前溶液中H 2O 2没有除尽，所测定的Cu 2＋
的含量将会 (填“偏高”“偏低”“不变”)。

(3)已知pH ＞11时Zn(OH)2能溶于NaOH 溶液生成[Zn(OH)4]2－。

下表列出了 几种离子生成氢氧化物沉淀pH(开始沉淀的pH 按金属离子浓度为1.0 mol·L
－1
计算)
开始沉淀的pH 完全沉淀的pH
Fe 3＋
1.1 3.2 Fe 2＋ 5.8 8.8 Zn 2＋
5.9
8.9
实验中可选用的试剂：30% H 2O 2、1.0 mol·L －
1HNO 3、1.0 mol·L －
1 NaOH 。

少量HNO 3 H 2SO 4
混合溶液 O 2
恒温蒸发
气体
由除去铜的滤液制备ZnO的实验步骤依次为：①；②；
③过滤；
④；
⑤过滤、洗涤、干燥
⑥900℃煅烧。

注：所谓目数，是指物料的粒度或粗细度，一般定义是指在1英寸*1英寸的面积内有多少个网孔数，即筛网的网孔数，物料能通过该网孔即定义为多少目数：如200目，就是该物料能通过1英寸*1英寸内有200个网孔的筛网。

以此类推，目数越大，说明物料粒度越细，目数越小，说明物料粒度越大。