Question

6．五氧化二钒广泛用于冶金、化工等行业，主要用于冶炼钒铁．用作合金添加剂，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：

回答下列问题：
（1）①中废渣的主要成分是SiO₂．
（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）_n（水层）+2nHA（有基层）?2RA（有基层）+nH₂SO₄（水层）．②中萃取时必须加入适量碱，其原因是加入碱中和硫酸使平衡正移、多次连续萃取，提高钒的萃取率；实验室进行萃取操作主要使用的玻璃仪器为分液漏斗和烧杯．
（3）完成④中反应的例子方程式：1ClO₃^-6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺1Cl^-+3H₂O
（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：

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

试判断在实际生产时，⑤中加入氨水调节溶液的最佳pH为1.7；若钒沉淀率为93.1%时不产生Fe（OH）₃，沉淀，则此时溶液中c（Fe³⁺）=2.6×10^-3mol/L．（已知：25℃时k[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39．）

Answer 1

分析 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，即为得到的滤渣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+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，过滤得到滤渣为二氧化硅，强酸性浸出液含有VO²⁺、K⁺、SO₄^2-，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⁺、SO₄^2-的酸性水溶液，得到分析平衡，Rⁿ⁺（水层）+nHA（有机层）?RA_n（有机层）+nH⁺（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；加入硫酸抑制平衡正向进行，氯酸钾具有氧化性，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即可．
（1）上述分析可知滤渣A为二氧化硅；
（2）反萃取时分析平衡，VOSO₄ +（水层）+2HA₂（有机层）?VOA₂（有机层）+H₂SO₄（水层），为提高②中萃取百分率，则加入碱中和硫酸使平衡正移、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；
（3）依据氧化还原反应电子守恒和电荷守恒、原子守恒配平书写离子方程式；
（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．

解答 解：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，即为得到的滤渣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+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，过滤得到滤渣为二氧化硅，强酸性浸出液含有VO²⁺、K⁺、SO₄^2-，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⁺、SO₄^2-的酸性水溶液，得到分析平衡，Rⁿ⁺（水层）+nHA（有机层）?RA_n（有机层）+nH⁺（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；加入硫酸抑制平衡正向进行，氯酸钾具有氧化性，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即可；
（1）上述分析可知①中废渣的主要成分是二氧化硅，故答案为：SiO₂；
（2）反萃取时分析平衡，VOSO₄ +（水层）+2HA₂（有机层）?VOA₂（有机层）+H₂SO₄（水层），为提高②中萃取百分率，则加入碱中和硫酸使平衡正移、多次连续萃取，提高钒的萃取率，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：加入碱中和硫酸使平衡正移、多次连续萃取，提高钒的萃取率；分液漏斗和烧杯；
（3）ClO₃^-中氯元素化合价+5价变化为-1价，VO²⁺变化为VO³⁺，V元素化合价+4价变化为+5价，电子守恒VO²⁺和VO³⁺ 的系数为6，ClO₃^-中和Cl^-前系数为1，结合电荷守恒和原子守恒配平书写离子方程式为：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，
故答案为：1；6；6H⁺；6；1；3H₂O；
（4）从沉淀率和pH关系可知，随pH增大，沉淀率先增大后减小，故沉淀率最大的pH即为最佳pH，pH=1.7时钒的沉淀率最大为98.8%，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，计算氢氧根离子浓度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，故答案为：1.7；2.6×10^-3mol/L．

点评 本题考查了流程分析判断，物质性质和实验设计的方法应用，氧化还原反应配平，溶度积计算，题干信息分析判断能力，掌握基础是关键，题目难度中等．