Question

8．隨著材料科學(xué)的發(fā)展，金屬釩及其化合物得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用．為回收利用含釩催化劑（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘?jiān)�），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(dá)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(qǐng)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(xué)方程式可表示為3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃
用鋁熱劑法從下列各金屬氧化物中冶煉出各1mol對(duì)應(yīng)的金屬，耗鋁粉的質(zhì)量最多的是c（填序號(hào)）
a．Fe₃O₄       b．Ni₂O₃         c．V₂O₅        d．MnO₂
（2）反應(yīng)①的化學(xué)方程式為V₂O₅+Na₂SO₃+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O
（3）若反萃取使用硫酸用量過(guò)大，進(jìn)一步處理會(huì)增加NH₃•H₂O（填化學(xué)式）的用途，造成成本增大．
（4）反應(yīng)②的化學(xué)方程式為：KClO₃+6VOSO₄+3H₂O=3（VO₂）₂SO₄+KCl+3H₂SO₄，若反應(yīng)①用的還原劑與反應(yīng)②用的氧化劑的物質(zhì)的量之比為12：7，則廢釩催化劑中VOSO₄和V₂O₅的物質(zhì)的量之比為3：2．
（5）該工藝反應(yīng)③的沉淀率（又稱沉釩率）是回收釩的關(guān)鍵之一，寫出該步發(fā)生反應(yīng)的離子方程式NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓
（6）用已知濃度的酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，以測(cè)定反應(yīng)②后溶液中的含釩量，已知該反應(yīng)的還原產(chǎn)物為VO²⁺，氧化產(chǎn)物為CO₂，則該反應(yīng)的離子方程式為2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2 VO²⁺+2 CO₂↑+2 H₂O．
（7）釩電池是以溶于一定濃度硫酸溶液中不同價(jià)態(tài)的釩離子（V²⁺、V³⁺、VO²⁺、VO₂⁺）為正極和負(fù)極反應(yīng)的活性物質(zhì)，電極均為鉑棒，電池總反應(yīng)為：VO²⁺+V³⁺+H₂O$?_{放電}^{充電}$V²⁺+VO₂⁺+2H⁺
①放電時(shí)的正極反應(yīng)為VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O
②充電時(shí)的陰極反應(yīng)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(guò)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?yàn)V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(guò)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(yīng)實(shí)質(zhì)是置換反應(yīng)，鋁與五氧化二釩反應(yīng)生成釩與氧化鋁；化學(xué)方程式電子守恒計(jì)算分析判斷消耗鋁的質(zhì)量；
（2）由題意和流程圖可知反應(yīng)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(guò)大，就需要用堿來(lái)中和．
（4）浸取還原過(guò)程的產(chǎn)物之一是VOSO₄，據(jù)流反應(yīng)的化學(xué)方程式．據(jù)浸取還原過(guò)程和氧化過(guò)程的先后兩個(gè)化學(xué)方程式可計(jì)算出該催化劑中V₂O₅、VOSO₄的物質(zhì)的量之比．
（5）該工藝中反應(yīng)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(yīng)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(yīng)的離子方程根據(jù)氧化還原反應(yīng)的化合價(jià)升降，正五價(jià)的釩元素被還原為正四價(jià)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(yīng)是還原反應(yīng)；充電時(shí)，陰極反應(yīng)為還原反應(yīng)，故為V³⁺得電子生成V²⁺的反應(yīng)．

解答 解：（1）鋁與五氧化二釩反應(yīng)生成釩與氧化鋁，反應(yīng)方程式為3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，用鋁熱劑法從下列各金屬氧化物中冶煉出各1mol對(duì)應(yīng)的金屬，依據(jù)電子守恒可知，
a．3Fe₃O₄+8Al=9Fe+4Al₂O₃，生成1molFe，電子轉(zhuǎn)移$\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(yīng)，用亞硫酸鈉還原V₂O₅，將V₂O₅ 轉(zhuǎn)化為可溶性的VOSO₄，反應(yīng)的化學(xué)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(guò)大，就需要用堿來(lái)中和，據(jù)流程圖可知，若反萃取使用硫酸用量過(guò)大，進(jìn)一步處理會(huì)增加NH₃•H₂O的用量，造成成本增大，
故答案為：NH₃•H₂O；
（4）假設(shè)兩步所用試劑Na₂SO₃與KC1O₃的物質(zhì)的量為12mol：7mol，分別據(jù)兩個(gè)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(yīng)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(yīng)生成難溶性的NH₄VO₃，根據(jù)NH₄VO₃難溶于水，利用復(fù)分解反應(yīng)沉淀VO₃^-，離子方程式為：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓，
故答案為：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；
（6）測(cè)定反應(yīng)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(jià)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(yīng)是還原反應(yīng)，由電池總反應(yīng)可知放電時(shí)的正極反應(yīng)為VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O；充電時(shí)，陰極反應(yīng)為還原反應(yīng)，故為V³⁺得電子生成V²⁺的反應(yīng)，電極反應(yīng)為V³⁺+e^-═V²⁺，
故答案為：VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O；V³⁺+e^-═V²⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題比較綜合，涉及氧化還原、離子反應(yīng)方程式書寫、化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算等，把握習(xí)題中的信息及發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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(xué)生分析問題、解決問題的能力，題目難度較大．