Question

6．五氧化二釩廣泛用于冶金、化工等行業(yè)，主要用于冶煉釩鐵．用作合金添加劑，占五氧化二釩總消耗量的80%以上，其次是用作有機化工的催化劑．為了增加V₂O₅的利用率，我們從廢釩催化劑（主要成分V₂O₅，VOSO₄，K₂SO₄，SiO₂和Fe₂O₃等）中回收V₂O₅的一種生產工藝流程示意圖如下：

回答下列問題：
（1）①中廢渣的主要成分是SiO₂．
（2）②，③中的變化過程可簡化為（下式中的R表示VO²⁺或Fe³⁺，HA表示有機萃取劑的主要成分）：R₂（SO₄）_n（水層）+2nHA（有基層）?2RA（有基層）+nH₂SO₄（水層）．②中萃取時必須加入適量堿，其原因是加入堿中和硫酸使平衡正移、多次連續(xù)萃取，提高釩的萃取率；實驗室進行萃取操作主要使用的玻璃儀器為分液漏斗和燒杯．
（3）完成④中反應的例子方程式：1ClO₃^-6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺1Cl^-+3H₂O
（4）25℃時，取樣進行試驗分析，得到釩沉淀率和溶液pH之間的關系如下表：

pH	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	2.0	2.1
釩沉淀率/%	88.1	94.8	96.5	98.0	98.8	98.6	96.4	93.1	89.3

試判斷在實際生產時，⑤中加入氨水調節(jié)溶液的最佳pH為1.7；若釩沉淀率為93.1%時不產生Fe（OH）₃，沉淀，則此時溶液中c（Fe³⁺）=2.6×10^-3mol/L．（已知：25℃時k[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39．）

Answer 1

分析 生產流程：廢釩催化劑（主要成分V₂O₅、Fe₂O₃和SiO₂等），據物質的水溶性確定，V₂O₅和SiO₂難溶于水，即為得到的濾渣亞硫酸根具有還原性，酸性條件下，能被五氧化二釩氧化生成硫酸根離子，離子反應方程式為：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，過濾得到濾渣為二氧化硅，強酸性浸出液含有VO²⁺、K⁺、SO₄^2-，加入有機萃取劑萃取分液得到有機溶液中VO²⁺，再加入X試劑進行反萃取分液，分離出有機層得到水層是含VO²⁺、Fe³⁺、SO₄^2-的酸性水溶液，得到分析平衡，Rⁿ⁺（水層）+nHA（有機層）?RA_n（有機層）+nH⁺（水層），加入的堿會和平衡中的氫離子反應促進平衡正向進行；加入硫酸抑制平衡正向進行，氯酸鉀具有氧化性，能將VO²⁺氧化為VO₂⁺，加入氨水，調節(jié)溶液pH到最佳值，得到NH₄VO₃，最后焙燒得到五氧化二釩即可．
（1）上述分析可知濾渣A為二氧化硅；
（2）反萃取時分析平衡，VOSO₄ +（水層）+2HA₂（有機層）?VOA₂（有機層）+H₂SO₄（水層），為提高②中萃取百分率，則加入堿中和硫酸使平衡正移、多次連續(xù)萃取，萃取分液操作時，用到的玻璃儀器有分液漏斗和燒杯；
（3）依據氧化還原反應電子守恒和電荷守恒、原子守恒配平書寫離子方程式；
（4）從沉淀率和pH關系找出最佳沉淀率，若釩沉淀率為93.1%時不產生Fe（OH）₃，沉淀，此時溶液PH=2，計算氫氧根離子濃度，結合溶度積常數計算溶液中鐵離子的濃度．

解答 解：生產流程：廢釩催化劑（主要成分V₂O₅、Fe₂O₃和SiO₂等），據物質的水溶性確定，V₂O₅和SiO₂難溶于水，即為得到的濾渣亞硫酸根具有還原性，酸性條件下，能被五氧化二釩氧化生成硫酸根離子，離子反應方程式為：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，過濾得到濾渣為二氧化硅，強酸性浸出液含有VO²⁺、K⁺、SO₄^2-，加入有機萃取劑萃取分液得到有機溶液中VO²⁺，再加入X試劑進行反萃取分液，分離出有機層得到水層是含VO²⁺、Fe³⁺、SO₄^2-的酸性水溶液，得到分析平衡，Rⁿ⁺（水層）+nHA（有機層）?RA_n（有機層）+nH⁺（水層），加入的堿會和平衡中的氫離子反應促進平衡正向進行；加入硫酸抑制平衡正向進行，氯酸鉀具有氧化性，能將VO²⁺氧化為VO₂⁺，加入氨水，調節(jié)溶液pH到最佳值，得到NH₄VO₃，最后焙燒得到五氧化二釩即可；
（1）上述分析可知①中廢渣的主要成分是二氧化硅，故答案為：SiO₂；
（2）反萃取時分析平衡，VOSO₄ +（水層）+2HA₂（有機層）?VOA₂（有機層）+H₂SO₄（水層），為提高②中萃取百分率，則加入堿中和硫酸使平衡正移、多次連續(xù)萃取，提高釩的萃取率，萃取分液操作時，用到的玻璃儀器有分液漏斗和燒杯，
故答案為：加入堿中和硫酸使平衡正移、多次連續(xù)萃取，提高釩的萃取率；分液漏斗和燒杯；
（3）ClO₃^-中氯元素化合價+5價變化為-1價，VO²⁺變化為VO³⁺，V元素化合價+4價變化為+5價，電子守恒VO²⁺和VO³⁺ 的系數為6，ClO₃^-中和Cl^-前系數為1，結合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式為：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，
故答案為：1；6；6H⁺；6；1；3H₂O；
（4）從沉淀率和pH關系可知，隨pH增大，沉淀率先增大后減小，故沉淀率最大的pH即為最佳pH，pH=1.7時釩的沉淀率最大為98.8%，加入氨水調節(jié)溶液的最佳pH為為1.7，若釩沉淀率為93.1%時不產生Fe（OH）₃，沉淀，此時溶液PH=2，計算氫氧根離子濃度c（OH^-）=10^-12mol/L，k[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39=c（Fe³⁺）c³（OH^-），c（Fe³⁺）=$\frac{2.6×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-12}）^{3}}$=2.6×10^-3mol/L，故答案為：1.7；2.6×10^-3mol/L．

點評 本題考查了流程分析判斷，物質性質和實驗設計的方法應用，氧化還原反應配平，溶度積計算，題干信息分析判斷能力，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．