Question

【题目】五氧化二钒广泛用于冶金、化工等行业，主要用于冶炼钒铁、用作冶金添加剂，占五氧化二钒总消耗量的80%以上，其次是用作有机化工的催化剂。为了增加V2O5的利用率我们从废钒催化剂(主要成分V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2和Fe2O3等)中回收V2O5的一种生产工艺流程示意图如下：

(1)①中废渣的主要成分是__________________________；

①中V2O5发生反应的离子方程式为________________________________________。

(2)②、③中的变化过程可简化为(下式中的R表示VO2+或Fe3+，HA表示有机萃取剂的主要成分)：R2(SO4) (水层)+2nHA(有机层) 2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)。

②中萃取时必须加入适量碱，其原因是________________________________________；

实验室进行萃取操作使用的玻璃仪器为________________________________________。

(3)实验室用的原料中V2O5占6%(原料中的所有钒已换算成V2O5)。取100g该废钒催化剂按工业生产的步骤进行实验当加入100ml0.1mol/L的KClO3溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理，假设以后各步钒没有损失，则该实验中钒的回收率是________________[M(V2O5)=182g/mol]

(4)25℃时取样进行试验分析，得到钒沉淀率和溶液pH之间的关系如下表：

试判断在实际生产时，⑤中加入氨水调节溶液的最佳pH为_________；若钒沉淀率为93.1%时不产生Fe(OH)3沉淀，则此时溶液中c(Fe2+)≤__________。已知：25℃时Ksp[Fe(OH)3]=2.6×10－39

Answer 1

【答案】SiO2 V2O5+4H++SO32- = 2VO2++ SO42-+2H2O 加入碱，中和H2SO4，使平衡向正向移动 分液漏斗、烧杯 91.0% 1.7 2.610-3 mol/L

【解析】

生产流程：废钒催化剂（主要成分V2O5、Fe2O3和SiO2等），据物质的水溶性确定，V2O5和SiO2难溶于水。亚硫酸根具有还原性，酸性条件下，能被五氧化二钒氧化生成硫酸根离子，过滤得到滤渣为二氧化硅，强酸性浸出液含有VO2+、K+、SO42-，加入有机萃取剂萃取分液得到有机溶液中VO2+，再加入X试剂进行反萃取分液，分离出有机层，得到水层是含VO2+、Fe3+、SO42-的酸性水溶液，分析平衡R2(SO4) (水层)+2nHA(有机层) 2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)，加入的碱会和平衡中的氢离子反应促进平衡正向进行。具有氧化性的氯酸钾，能将VO2+氧化为VO2+，加入氨水，调节溶液pH到最佳值，得到NH4VO3，最后焙烧得到五氧化二钒，据此分析作答，

（1）SiO2难溶于水、难溶于酸；根据氧化还原规律、电荷守恒、电子守恒及原子守恒配平离子方程式；

（2）从加入能反应的离子对平衡移动的影响来分析；结合萃取操作步骤选取实验仪器；

（3）根据④⑤⑥操作步骤流程图可知，氯酸钾能将VO2+氧化为VO2+，再结合物质之间的转化关系式及题意来计算钒的回收率；

（4）从沉淀率和pH关系找出最佳沉淀率，钒沉淀率为93.1%时不产生Fe(OH)3沉淀，此时溶液pH=2，计算氢氧根离子浓度，结合溶度积常数计算溶液中铁离子的浓度。

（1）上述分析可知滤渣A为SiO2，从流程图可以看出，在酸性条件下，V2O5转化为VO2+，SO32-能被V2O5氧化生成SO42-，根据氧化还原反应的规律配平该离子反应方程式为：V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O，

故答案为：SiO2；V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O；

（2）反萃取时，分析平衡R2(SO4) (水层)+2nHA(有机层) 2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)，为提高②中萃取百分率，则加入碱中和硫酸，可以使平衡正移，多次连续萃取。萃取分液操作时，用到的玻璃仪器有分液漏斗和烧杯；

故答案为：加入碱，中和H2SO4，使平衡向正向移动；分液漏斗、烧杯；
（3）根据氧化还原规律可知，当加入100ml 0.1mol/L的KClO2溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理的离子方程式为：ClO3－＋6VO2＋＋3H2O＝6VO2＋＋6H＋＋Cl－，再结合V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O，从而得出关系式： 3 V2O5～6VO2+～ClO3－，因n（ClO3－） = 0.1 mol/L0.1 L = 0.01 mol，所以n（V2O5）＝30.01 mol = 0.03 mol 因此该实验中钒的回收率是×100% ＝ 91.0 %，

故答案为：91.0 %；
（4）从沉淀率和pH关系找出最佳沉淀率。若钒沉淀率为93.1%时，不产生Fe(OH)3沉淀，此时溶液pH=2，计算氢氧根离子浓度，结合溶度积常数计算溶液中铁离子的浓度。

由表中数据可知，pH = 1.7时钒的沉淀率最大为98.8%，故加入氨水调节溶液的最佳pH为为1.7。若钒沉淀率为93.1 %时不产生Fe(OH)3沉淀，此时溶液pH=2，c(OH)=1012 mol/L，Ksp[Fe(OH)3] = 2.6×10－39 =c(Fe3+)c3(OH)，c(Fe3+) = =2.6×10 mol/L，

故答案为：1.7；2.6×103 mol/L。