Question

为回收利用废钒催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性残渣），科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺。己知：V可形成VO²⁺、VO₂⁺、VO₃^-等多种离子；部分含钒物质在水中的溶解性如下表所示：

物质	VOSO4	V2O5	NH4VO3	(VO2)2SO4
溶解性	可溶	难溶	难溶	易溶

 

该工艺的主要流程如下：
请回答下列问题：
（1）工业上由V₂O₅冶炼金属钒常用铝热剂法，其反应的化学方程式为      。
（2）反应①的目的是      。
（3）若用NaOH溶液调节pH，则转化②的离子方程式为     。
（4）实验室中实现反应③所需主要仪器除三脚架、泥三角、酒精灯外，必不可少的是    。
（5）V₂O₅为硫酸工业接触室中的重要催化剂，其催化反应为2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g) ΔH＜0，在容积为2.0 L的密闭容器中充入2 mol SO₂、1 mol O₂，一定条件下达到平衡，SO₃的体积分数为。
①该条件下反应2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g) 的平衡常数为_____；
②下列措施能使增大的是_____。
A．升高温度
B．保持温度和容积不变，再充入2 mol He
C．保持温度和容积不变，再充入2 mol SO₂和1 mol O₂
D．不用V₂O₅作催化剂，改用其它更高效催化剂

Answer 1

（14分）（1）3V₂O₅＋10Al6V＋5Al₂O₃(2分)；（2）将V₂O₅转化为可溶的VOSO₄(2分)
⑶VO₂^＋＋2OH^－＝VO₃^－＋H₂O(3分) ⑷坩埚（2分）； ⑸1620（3分）；C（2分）

试题分析：（1）铝是活泼的金属，能和金属氧化物发生铝热反应，所以铝和五氧化二钒发生铝热反应的化学方程式为3V₂O₅＋10Al6V＋5Al₂O₃。
（2）根据溶解性表知，滤渣是V₂O₅，酸性条件下，V₂O₅和亚硫酸钠发生氧化还原反应生成可溶性的VOSO₄，所以反应①的目的是将V₂O₅转化为可溶的VOSO₄。
（3）VOSO₄有强氧化性，能把氯酸钾氧化，自身被还原成（VO₂）₂SO₄。在碱性条件下，VO₂^＋转化为VO₃^－，反应的离子方程式是VO₂^＋＋2OH^－＝VO₃^－＋H₂O。
（4）固体加热需要在坩埚中进行，因此必不可少的是坩埚。
（5）①             2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g)
起始浓度（mol/L）   1.0      0.5          0
转化浓度（mol/L）   2x       x            2x
平衡浓度（mol/L）  1.0－2x  0.5－x        2x
一定条件下达到平衡，SO₃的体积分数为
则有
解得x＝0.45
所以该温度下可逆反应的平衡常数K＝＝＝1620
②A．正方应是放热反应，则升高温度平衡向逆反应方向移动，因此减小；
B．保持温度和容积不变，再充入2 mol He，反应物和生成物的浓度不变，平衡不移动，因此不变；
C．保持温度和容积不变，再充入2 mol SO₂和1 mol O₂，相当于是增大压强，平衡向正方应移动，因此增大；
D．催化剂只能改变反应速率，但不能改变平衡状态，因此不用V₂O₅作催化剂，改用其它更高效催化剂使，不变，答案选C。