Question

3．為回收利用廢釩催化劑（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣），科研人員最新研制了一種離子交換法回收釩的新工藝，主要流程如圖1：

部分含釩物質在水中的溶解性如下：

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

回答下列問題：
（1）工業(yè)由V₂O₅冶煉金屬釩常用鋁熱劑法，寫出該反應的化學方程式3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（2）圖2中所示濾液中含釩的主要成分為VOSO₄（寫化學式）．有學者建議將濾液進行如下處理后再用KClO₃氧化

圖2中的萃取與反萃取的變化過程可簡化為（下式R表示VO²⁺，HA表示有機萃取劑）．
RSO₄（水層）+2HA（有機層）?RA₂（有機層）+H₂SO₄（水層），上圖中的X試劑為硫酸；這種萃取與反萃取過程有別于用CCl₄萃取碘水中的碘，二者的相同點是有機層與水溶液不相溶而分層，不同點是這種萃取與反萃取過程利用平衡移動發(fā)生了化學反應，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解
（3）該工藝中反應③的沉淀率（又稱沉釩率）是回收釩的關鍵之一，該步反應的離子方程式NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數(shù)（NH₄Cl加入質量與料液中V₂O₅的質量比）和溫度．根據(jù)圖3判斷最佳控制氯化銨系數(shù)和溫度為4、80℃．
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，以測定反應②后溶液中含釩量，完成反應的離子方程式為□VO₂⁺+□H₂C₂O₄+□2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O=□VO²⁺+□CO₂↑+□H₂O．
（5）全礬液流電池的電解質溶液為VOSO₄溶液，電池的工作原理為：VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充電}^{放電}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，電池充電時陽極的電極反應式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．

Answer 1

分析 反應①是利用亞硫酸鈉在酸性溶液中的還原性把難溶的V₂O₅轉化為易溶于水的VOSO₄便于釩的提取，反應②是用氯酸鉀溶液與VOSO₄反應生成（VO₂）₂SO₄，通過離子交換，調節(jié)溶液PH得到VO₃^-，反應③是VO₃^-溶液與氯化銨反應生成NH₄VO₃沉淀，反應④加熱NH₄VO₃分解為V₂O₅，
（1）鋁熱反應實質是置換反應，鋁與五氧化二釩反應生成釩與氧化鋁；
（2）根據(jù)廢釩催化劑的組成及表中數(shù)據(jù)判斷濾液主要成分；反萃取時加入的X試劑是抑制RSO₄（水層）+2HA（有機層）?RA₂（有機層）+H₂SO₄（水層）平衡正向進行；萃取與反萃取過程和用CCl₄萃取碘水中的碘都是萃取，則相同點是有機層與水溶液不相溶而分層，不同點是這種萃取與反萃取過程利用平衡移動發(fā)生了化學反應，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
（3）依據(jù)流程中的沉淀分離書寫離子方程式；根據(jù)題中圖象分析坐標系中表示的含義，結合圖中的沉礬率與沉淀溫度關系選擇最佳溫度，再根據(jù)沉礬率與氯化銨系數(shù)選擇最佳的氯化銨系數(shù)；
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，發(fā)生氧化還原反應生成二氧化碳、VO²⁺和水，離子方程式中一定滿足質量守恒和電荷守恒；
（5）電池充電時陽極發(fā)生氧化反應，陽極電極反應為VO²⁺失去電子發(fā)生氧化反應生成VO₂⁺．

解答 解：反應①是利用亞硫酸鈉在酸性溶液中的還原性把難溶的V₂O₅轉化為易溶于水的VOSO₄便于釩的提取，反應②是用氯酸鈉溶液與VOSO₄反應生成（VO₂）₂SO₄，通過離子交換，調節(jié)溶液PH得到NaVO₃，反應③是NaVO₃溶液與氯化銨反應生成NH₄VO₃沉淀，反應④加熱NH₄VO₃分解為V₂O₅，
（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，故答案為：3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃；
（2）廢釩催化劑中含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣，由于V₂O₅為難溶物，所以濾液中含釩的主要成分為VOSO₄；
反萃取時加入的X試劑是抑制RSO₄（水層）+2HA（有機層）?RA₂（有機層）+H₂SO₄（水層）平衡正向進行，則可以加入硫酸抑制平衡正向進行，所以X試劑是硫酸；
萃取與反萃取過程和用CCl₄萃取碘水中的碘都是萃取，則相同點是有機層與水溶液不相溶而分層，不同點是這種萃取與反萃取過程利用平衡移動發(fā)生了化學反應，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
故答案為：VOSO₄ ；硫酸；有機層與水溶液不相溶而分層；這種萃取與反萃取過程利用平衡移動發(fā)生了化學反應，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
（3）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↓，根據(jù)沉釩率與沉淀溫度的圖象可知，在80℃時沉礬率最高為98%，再根據(jù)氯化銨系數(shù)與沉釩率可知，氯化銨系數(shù)為4時沉釩率最高，所以最佳控制氯化銨系數(shù)和溫度分別為4、80℃，
故答案為：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；4；80℃；
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，發(fā)生氧化還原反應生成二氧化碳、VO²⁺和水，離子方程式為：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VOⁿ⁺+2CO₂↑+2H₂O，故答案為：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O；
（5）陽極反應是氧化反應，由電池總反應可知充電時，陽極電極反應為VO²⁺失去電子發(fā)生氧化反應生成VO₂⁺，則陽極電極反應為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案為：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．

點評 本題考查了鋁熱反應、氧化還原反應、離子反應、電化學等知識，題目難度中等，正確分析、理解工業(yè)流程是解題關鍵，注意明確鋁熱反應原理及電荷守恒、質量守恒在配平反應方程式中的應用．