Question

用黃銅礦煉銅按反應物和生成物可將總反應可以寫成：
CuFeS₂ + SiO₂ + O₂→ Cu + FeSiO₃ + SO₂
事實上冶煉反應是分步進行的。(1)黃銅礦在氧氣作用下生成硫化亞銅和硫化亞鐵；(2)硫化亞鐵在氧氣作用下生成氧化亞鐵，并與二氧化硅反應生成礦渣；(3)硫化亞銅與氧氣反應生成氧化亞銅；(4)硫化亞銅與氧化亞銅反應生成銅。
1)  寫出上述各個分步反應(1，2，3，4)的化學方程式。
2)  給出總反應方程式的系數。
3)  據最新報道, 有一種叫Thibacillus ferroxidans的細菌在氧氣存在下可以將黃銅礦氧化成硫酸鹽。反應是在酸性溶液中發生的。試寫出配平的化學方程式。
4)  最近我國學者發現，以精CuFeS₂礦為原料在沸騰爐中和O₂ (空氣)反應, 生成物冷卻后經溶解、除鐵、結晶，得到CuSO₄·5H₂O，成本降低了許多。實驗結果如下：

沸騰爐溫度/℃		560	580	600	620	640	660
生 成 物	水溶性Cu/%	90.12	91.24	93.50	92.38	89.96	84.23
	酸溶性Cu/%	92.00	93.60	97.08	97.82	98.16	98.19
	酸溶性Fe/%	8.56	6.72	3.46	2.78	2.37	2.28

回答如下問題：
(1)  CuFeS₂和O₂主要反應的方程式為:
(2)  實際生產過程的沸騰爐溫度為 600～620℃。控制反應溫度的方法是：
(3)  溫度高于600～620℃生成物中水溶性Cu (%)下降的原因是：

Answer 1

（1）2CuFeS₂ + O₂ =Cu₂S + 2FeS +SO₂                                          (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
FeS + O₂ =" FeO" + SO₂                                                        (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
FeO + SiO₂ = FeSiO₃                                                           (1分)  
(寫其他產物不得分)
2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O+ 2SO₂                                  (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
Cu₂S+ 2Cu₂O =" 6Cu" + SO₂                                    (1分)
(寫S、SO₃不寫SO₂不得分)
不配平不得分。
（2）2CuFeS₂ + 2SiO₂ + 5O₂ =" 2Cu" + 2FeSiO₃ + 4SO₂
（3）4CuFeS₂ + 2H₂SO₄ + 17O₂ = 4CuSO₄ + 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O           (4分)
(注：不寫硫酸鐵而寫硫酸亞鐵給一半分)
（4）(1) 4CuFeS₂ + 17O₂ = 4CuSO₄ + 2Fe₂O₃ + 8SO₂                 (4分)
(2)  控制加入CuFeS₂的速度，因CuFeS₂與O₂反應放熱。       (2分)
(3)  CuSO₄ =" CuO" + SO₃                                                     (2分)  
         (答SO₂ + 1/2O₂不扣分)
(注：(1)的反應產物不寫氧化鐵寫氧化亞鐵或四氧化三鐵也可以給一半分。
雖然實際反應產物是氧化鐵, 但對中學生, 做出正確判斷根據可能不足。)

本題由三個相互獨立的問題組成，可以認為是三個題，占總分的較大比例，但由于都是有關黃銅礦的利用問題，因而被編在一起，而且多少相互之間可以起到“條件不同反應不同”的關聯作用。與前兩題相比，本題的第一部分比較簡單，好像是命題人考慮著對前面的試題可能解答得不好的學生起一點安撫鼓勵作用。寫四個分步反應的方程式的考核點只是把題面的表述轉換成化學方程式，但題面并沒有指出生成物中的硫的形態。根據中學化學知識，可以想見它是SO₂，大多數學生應該不會寫錯。其中第四個反應就是所謂“冰銅”反應，比較特殊，但試題已經告訴大家反應產物的含銅物質應該只有一種，即金屬銅，這就降低了難度，可見應答時永遠不應離開試題提供的知識背景。
問題(2)配平總方程式的系數，比較費事，考查機敏。配平的方法很多，條條大路通羅馬。比較簡單的是不管黃鐵礦里的銅、鐵和硫應當是什么價態的，假設鐵是+2價的，銅也是+2價的，硫是-2價的，這樣，鐵在反應后價態不變，就省事多了。這種假設不會出現錯誤，其原因是氧化還原的電子得失總數是一定的。
問題(3)也是寫方程式，熟悉過去競賽試題的選手可能覺得似曾相識，但并非陳題。根據給出的信息，不難首先得出這樣的結論：反應得到的溶液由CuSO₄和Fe₃(SO₄)₂組成。因為有氧氣參加反應，銅和鐵均應成水溶液中的穩定高價，似不會弄錯�？紤]到學生可能的錯誤，判分標準比較松。這個反應的關鍵是產物里要添硫酸根，為此題面對反應的條件作了說明：酸性溶液；但為避免暗示過多，沒有說要加硫酸。
分析應答結果，許多學生因不會正確書寫離子方程式和分子方程式二而失分。他們寫的方程式是“非驢非馬”的既非離子方程式又非分子方程式的“混雜”方程式。這中錯誤是嚴重的，不利于今后的學習，不能給分。我們建議正常課堂教學要針對學生這種錯誤來訓練。
問題(4)比前面的試題更推進一步，信息是以表格中的數據的形式間接地呈現的。表格用沸騰爐的溫度首先排除學生對“沸騰”二字的可能誤解，這里的“沸騰”并非意味著爐子里有水之類的溶劑(試題設計人估計學生并沒有固體在上行氣流沖擊下如同沸騰的那種工業反應器的概念，并沒有考察這樣專門的知識，但中學老師說，沸騰爐的概念在講黃鐵礦制硫酸中講到的)。表格還用水溶性銅、酸溶性銅和酸溶性鐵的信息表明，沸騰爐里的含鐵產物肯定不是鐵的硫酸鹽，因為并沒有說有水溶性鐵，因而可以得出結論：燃燒產物中的鐵是以氧化物的方式存在的。(這正是與本題一開始的傳統冶煉反應不同之處，否則為什么是最新成果，而且是我國學者的成果呢？)至于鐵的氧化物為什么隨溫度升高溶于酸的程度降低？本題沒有要求作答。這個知識大大超過中學生的知識水平。其實，氧化物的酸溶性隨煅燒或燒結溫度升高而下降是一個普遍現象。例如用作煉鋼爐襯里的氧化鎂就是經過高溫燒結的酸溶性很差的氧化物，還可以舉出的典型物質是剛玉(Al₂O₃)，用作坩堝等高溫容器，酸溶性極差。這些化學知識似應在優秀中學生中間做點普及，不要以為堿性或兩性金屬氧化物都易溶于酸(熱力學上要溶，動力學上不溶！)。本題給分充分考慮了中學生的知識水平，比較寬松。