Question

8．隨著材料科學的發(fā)展，金屬釩及其化合物得到了越來越廣泛的應用．為回收利用含釩催化劑（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣），科研人員最新研制了一種用離子變換法回收釩的新工藝，回收率達到91.7%．
部分含釩物質(zhì)在水中的溶解性如下表所示：

物質(zhì)	VOSO4	V2O5	NH4VO3	（VO2）2SO4
溶解性	可溶	難溶	難溶	易溶

該工藝的主要流程如圖所示：

請問答下列問題：
（1）工業(yè)上由V₂O₅冶煉金屬釩常用鋁熱劑法，其化學方程式可表示為3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃
用鋁熱劑法從下列各金屬氧化物中冶煉出各1mol對應的金屬，耗鋁粉的質(zhì)量最多的是c（填序號）
a．Fe₃O₄       b．Ni₂O₃         c．V₂O₅        d．MnO₂
（2）反應①的化學方程式為V₂O₅+Na₂SO₃+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O
（3）若反萃取使用硫酸用量過大，進一步處理會增加NH₃•H₂O（填化學式）的用途，造成成本增大．
（4）反應②的化學方程式為：KClO₃+6VOSO₄+3H₂O=3（VO₂）₂SO₄+KCl+3H₂SO₄，若反應①用的還原劑與反應②用的氧化劑的物質(zhì)的量之比為12：7，則廢釩催化劑中VOSO₄和V₂O₅的物質(zhì)的量之比為3：2．
（5）該工藝反應③的沉淀率（又稱沉釩率）是回收釩的關(guān)鍵之一，寫出該步發(fā)生反應的離子方程式NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓
（6）用已知濃度的酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，以測定反應②后溶液中的含釩量，已知該反應的還原產(chǎn)物為VO²⁺，氧化產(chǎn)物為CO₂，則該反應的離子方程式為2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2 VO²⁺+2 CO₂↑+2 H₂O．
（7）釩電池是以溶于一定濃度硫酸溶液中不同價態(tài)的釩離子（V²⁺、V³⁺、VO²⁺、VO₂⁺）為正極和負極反應的活性物質(zhì)，電極均為鉑棒，電池總反應為：VO²⁺+V³⁺+H₂O$?_{放電}^{充電}$V²⁺+VO₂⁺+2H⁺
①放電時的正極反應為VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O
②充電時的陰極反應為V³⁺+e^-═V²⁺．

Answer 1

分析 廢釩催化劑粉碎、水浸，將溶解性物質(zhì)溶于水，然后過濾得到濾渣和濾液，根據(jù)溶解性表知，濾液中含有VOSO₄，濾渣中含有V₂O₅等不溶性雜質(zhì)，向濾渣中加入亞硫酸鈉和稀硫酸，亞硫酸鈉具有還原性，能將V₂O₅還原為VOSO₄，然后過濾得到濾渣和濾液，將兩部分濾液混合并加入氯酸鉀，氯酸鉀具有氧化性，能將VOSO₄氧化為（VO₂）₂SO₄，調(diào)節(jié)溶液pH為8且采用離子交換方法得到VO₃^-，向溶液中加入氯化銨，得到難溶性的NH₄VO₃，焙燒NH₄VO₃得到V₂O₅，
（1）鋁熱反應實質(zhì)是置換反應，鋁與五氧化二釩反應生成釩與氧化鋁；化學方程式電子守恒計算分析判斷消耗鋁的質(zhì)量；
（2）由題意和流程圖可知反應①的目的，將V₂O₅ 轉(zhuǎn)化為可溶性的VOSO₄，便于分離提純；
（3）反萃取使用的硫酸用量過大，就需要用堿來中和．
（4）浸取還原過程的產(chǎn)物之一是VOSO₄，據(jù)流反應的化學方程式．據(jù)浸取還原過程和氧化過程的先后兩個化學方程式可計算出該催化劑中V₂O₅、VOSO₄的物質(zhì)的量之比．
（5）該工藝中反應③的沉淀率（又稱沉釩率）是回收釩的關(guān)鍵之一，銨根離子和VO₃^-反應生成難溶性的NH₄VO₃；
（6）可用已知濃度的酸化H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，主要產(chǎn)物為CO₂和VOSO₄，發(fā)生反應的離子方程根據(jù)氧化還原反應的化合價升降，正五價的釩元素被還原為正四價的釩元素，H₂C₂O₄則被氧化為二氧化碳，寫出產(chǎn)物配平可得離子方程；
（7）正極反應是還原反應；充電時，陰極反應為還原反應，故為V³⁺得電子生成V²⁺的反應．

解答 解：（1）鋁與五氧化二釩反應生成釩與氧化鋁，反應方程式為3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，用鋁熱劑法從下列各金屬氧化物中冶煉出各1mol對應的金屬，依據(jù)電子守恒可知，
a．3Fe₃O₄+8Al=9Fe+4Al₂O₃，生成1molFe，電子轉(zhuǎn)移$\frac{8}{9}$×3mol=$\frac{8}{3}$mol；
b．Ni₂O₃+2Al=2Ni+Al₂O₃，生成1molNi，電子轉(zhuǎn)移為2mol；
c．3V₂O₅+10Al=6V+5Al₂O₃，生成1molV電子轉(zhuǎn)移為$\frac{10}{6}$×3mol=5mol；
d．3MnO₂+4Al=3Mn+2Al₂O₃，生成1molMn電子轉(zhuǎn)移為$\frac{4}{3}$×3mol=4mol；
c電子轉(zhuǎn)移最多耗鋁粉的質(zhì)量最多，
故答案為：3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，c；
（2）加入硫酸和亞硫酸鈉，目的是利用氧化還原反應，用亞硫酸鈉還原V₂O₅，將V₂O₅ 轉(zhuǎn)化為可溶性的VOSO₄，反應的化學方程式為V₂O₅+Na₂SO₃+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O，
故答案為：V₂O₅+Na₂SO₃+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O；
（3）反萃取使用的硫酸用量過大，就需要用堿來中和，據(jù)流程圖可知，若反萃取使用硫酸用量過大，進一步處理會增加NH₃•H₂O的用量，造成成本增大，
故答案為：NH₃•H₂O；
（4）假設兩步所用試劑Na₂SO₃與KC1O₃的物質(zhì)的量為12mol：7mol，分別據(jù)兩個方程式：
Na₂SO₃+V₂O₅+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O KClO₃+6VOSO₄+3H₂SO₄═3（VO）₂（SO₄）₃+KCl+3H₂O
12mol 12mol 24mol                  7mol 42mol
該催化劑中VOSO₄的物質(zhì)的量為42mol-24mol=18mol，因此該催化劑中VOSO₄、V₂O₅的物質(zhì)的量之比為 18mol：12mol=3：2
故答案為：3：2；
（5）該工藝中反應③的沉淀率（又稱沉釩率）是回收釩的關(guān)鍵之一，銨根離子和VO₃^-反應生成難溶性的NH₄VO₃，根據(jù)NH₄VO₃難溶于水，利用復分解反應沉淀VO₃^-，離子方程式為：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓，
故答案為：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；
（6）測定反應②溶液中釩的含量，可用已知濃度的酸化H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，主要產(chǎn)物為CO₂和VOSO₄，根據(jù)化合價升降，寫出離子方程為2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2 VO²⁺+2 CO₂↑+2 H₂O，
故答案：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2 VO²⁺+2 CO₂↑+2 H₂O；
（7）正極反應是還原反應，由電池總反應可知放電時的正極反應為VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O；充電時，陰極反應為還原反應，故為V³⁺得電子生成V²⁺的反應，電極反應為V³⁺+e^-═V²⁺，
故答案為：VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O；V³⁺+e^-═V²⁺．

點評 本題比較綜合，涉及氧化還原、離子反應方程式書寫、化學反應的計算等，把握習題中的信息及發(fā)生的化學反應為解答的關(guān)鍵，注意圖象及數(shù)據(jù)的分析與利用，較好的考查學生分析問題、解決問題的能力，題目難度較大．