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随着材料科学的发展,金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用,并被誉为“合金的维生素”.为回收利用含钒催化剂(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,回收率达91.7%以上.
部分含钒物质在水中的溶解性如下表所示:
物质 VOSO4 V2O5 NH4VO3 (VO22SO4
溶解性 可溶 难溶 难溶 易溶

请回答下列问题:
(1)请写出加入Na2SO3溶液发生反应的离子方程式
V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O
V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O

(2)催化氧化所使用的催化剂钒触媒(V2O5)能加快二氧化硫氧化速率,此过程中产生了一连串的中间体(如下左图).其中a、c二步的化学方程式可表示为
SO2+V2O5?SO3+V2O4
SO2+V2O5?SO3+V2O4
4VOSO4+O2?2V2O5+4SO3
4VOSO4+O2?2V2O5+4SO3

(3)该工艺中沉矾率是回收钒的关键之一,沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度.
根据图试建议控制氯化铵系数和温度:
4
4
80℃
80℃


(4)经过热重分析测得:NH4VO3在焙烧过程中,固体质量的减少值(纵坐标)随温度变化的曲线如右图所示.则NH4VO3在分解过程中
B
B

A.先分解失去H2O,再分解失去NH3
B.先分解失去NH3,再分解失去H2O
C.同时分解失去H2O和NH3
D.同时分解失去H2、N2和H2O.
分析:(1)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.
(2)根据催化剂参与反应过程生成的中间产物,分析催化剂参与反应,最终重新生成来书写化学方程式;
(3)根据图1分析坐标系中的表示含义,结合图②中的沉矾率在80度C时最大,约为98%,在图①中找到对应沉矾率98%下的控制氯化铵系数为4;
(4)根据NH4VO3在焙烧变化的图象中固体质量分数结合方程式分析.
解答:解:(1)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,离子反应方程式为:V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O,
故答案为:V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O;
(2)依据图中的转化关系,V2O5参与反应先做氧化剂把二氧化硫氧化为三氧化硫,本身被还原为图中产物V2O4,根据氧化还原反应的实质写出并配平a步化学方程式SO2+V2O5?SO3+V2O4;C是VOSO4转化为SO3,此过程需要重新生成催化剂V2O5,需要氧化剂完成,此过程中的氧化剂为氧气,根据化合价的变化写出C步化学方程式 4VOSO4+O2?2V2O5+4SO3,故答案为:SO2+V2O5?SO3+V2O4、4VOSO4+O2?2V2O5+4SO3
(3)根据图示分析数据,80℃时沉矾率最高为98%,再升高温度时其沉钒率反而降低,从氯化铵系数知,氯化铵系数越大沉钒率越大,但系数为5比为4稍微大些,且氯化铵系数越大需要的氯化铵越多,从经济角度分析不合适,所以加NH4Cl的系数最好为4,
故答案为:4和80℃;
(4)根据NH4VO3在焙烧变化的图象可知:
2NH4VO3═V2O5+2NH3↑+H2O
234g          34g  18g
210℃时,固体质量减少值为1-85.47%=14.54%,380℃时,根据质量减少值为85.47-77.78%=7.69%,
根据方程式知,生成水时固体质量减少分数小于生成氨气时,所以210℃时减少的是氨气,380℃时减少的是水,则该反应过程中先失去氨气后失去水,故选B.
点评:本题考查了制备实验方案的设计,涉及到氧化还原反应、图象分析等知识点,注意催化剂实际上参加反应,难点是(4)题中图象分析,难度中等.
练习册系列答案
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随着材料科学的发展,金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用.
(1)钒主要用来制造钒钢.钒钢具有很高的耐磨损性和抗撞击性,原因是
 
(填序号)
A.钒在常温下,化学活泼性较弱
B.钒钢表面形成了致密且坚固的氧化膜
C.钒钢结构紧密,具有较高的韧性、弹性和强度
(2)在温度较低时,溶液中钒酸盐会转化为焦钒酸盐:
2VO43-+H2O?V2O74-+2OH-
在温度较高时,焦钒酸盐又转化为偏钒酸盐:
V2O74-+H2O?2VO3-+2OH-
反应②平衡常数的表达式K=
 

(3)已知某温度下:4V(s)+5O2(g)=2V2O5(s)△H=-1551kJ?mol-1
4V(s)+3O2(g)=2V2O3(s)△H=-1219kJ?mol-1
2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)△H=-571.6kJ?mol-1
写出H2还原V2O5得到V2O3的热化学方程式:
 

(4)用钒酸钠(Na3VO4)溶液(含PO43-、SiO32-等杂质离子)制备高纯V2O5流程如下:精英家教网
①加入镁盐,加热搅拌,其中加热的作用是
 

②在25℃时,Ksp[Mg3(PO42]=1.0×10-26,若净化后溶液中的Mg2+的平衡浓度为 1.0×10-4 mol?L-1,则溶液中c(P043-)=
 

③加入NH4Cl,加热搅拌,该步骤反应的离子方程式为
 

④为测定产品纯度,称取产品mg,溶解后定容在100mL容量瓶中,每次取5.00mL溶液于锥形瓶中,加入一定量的稀盐酸和KI溶液,用a mol?L-1Na2S2O3标准溶 液滴定,发生的反应为:
V2O5+6HCl+2KI=2VOCl2+2KCl+I2+3H2O
I2+2Na2S2O3=Na2S4O6+2NaI
若三次滴定消耗标准溶液的平均体积为bmL,则该产品的纯度为
 
(用含m、a、b的代数式表示).

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