Question

3．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，主要流程如图1：

部分含钒物质在水中的溶解性如下：

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

回答下列问题：
（1）工业由V₂O₅冶炼金属钒常用铝热剂法，写出该反应的化学方程式3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（2）图2中所示滤液中含钒的主要成分为VOSO₄（写化学式）．有学者建议将滤液进行如下处理后再用KClO₃氧化

图2中的萃取与反萃取的变化过程可简化为（下式R表示VO²⁺，HA表示有机萃取剂）．
RSO₄（水层）+2HA（有机层）?RA₂（有机层）+H₂SO₄（水层），上图中的X试剂为硫酸；这种萃取与反萃取过程有别于用CCl₄萃取碘水中的碘，二者的相同点是有机层与水溶液不相溶而分层，不同点是这种萃取与反萃取过程利用平衡移动发生了化学反应，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解
（3）该工艺中反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，该步反应的离子方程式NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；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3判断最佳控制氯化铵系数和温度为4、80℃．
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，以测定反应②后溶液中含钒量，完成反应的离子方程式为□VO₂⁺+□H₂C₂O₄+□2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O=□VO²⁺+□CO₂↑+□H₂O．
（5）全矾液流电池的电解质溶液为VOSO₄溶液，电池的工作原理为：VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充电}^{放电}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，电池充电时阳极的电极反应式为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．

Answer 1

分析 反应①是利用亚硫酸钠在酸性溶液中的还原性把难溶的V₂O₅转化为易溶于水的VOSO₄便于钒的提取，反应②是用氯酸钾溶液与VOSO₄反应生成（VO₂）₂SO₄，通过离子交换，调节溶液PH得到VO₃^-，反应③是VO₃^-溶液与氯化铵反应生成NH₄VO₃沉淀，反应④加热NH₄VO₃分解为V₂O₅，
（1）铝热反应实质是置换反应，铝与五氧化二钒反应生成钒与氧化铝；
（2）根据废钒催化剂的组成及表中数据判断滤液主要成分；反萃取时加入的X试剂是抑制RSO₄（水层）+2HA（有机层）?RA₂（有机层）+H₂SO₄（水层）平衡正向进行；萃取与反萃取过程和用CCl₄萃取碘水中的碘都是萃取，则相同点是有机层与水溶液不相溶而分层，不同点是这种萃取与反萃取过程利用平衡移动发生了化学反应，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
（3）依据流程中的沉淀分离书写离子方程式；根据题中图象分析坐标系中表示的含义，结合图中的沉矾率与沉淀温度关系选择最佳温度，再根据沉矾率与氯化铵系数选择最佳的氯化铵系数；
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，发生氧化还原反应生成二氧化碳、VO²⁺和水，离子方程式中一定满足质量守恒和电荷守恒；
（5）电池充电时阳极发生氧化反应，阳极电极反应为VO²⁺失去电子发生氧化反应生成VO₂⁺．

解答 解：反应①是利用亚硫酸钠在酸性溶液中的还原性把难溶的V₂O₅转化为易溶于水的VOSO₄便于钒的提取，反应②是用氯酸钠溶液与VOSO₄反应生成（VO₂）₂SO₄，通过离子交换，调节溶液PH得到NaVO₃，反应③是NaVO₃溶液与氯化铵反应生成NH₄VO₃沉淀，反应④加热NH₄VO₃分解为V₂O₅，
（1）铝与五氧化二钒反应生成钒与氧化铝，反应方程式为3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，故答案为：3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃；
（2）废钒催化剂中含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性残渣，由于V₂O₅为难溶物，所以滤液中含钒的主要成分为VOSO₄；
反萃取时加入的X试剂是抑制RSO₄（水层）+2HA（有机层）?RA₂（有机层）+H₂SO₄（水层）平衡正向进行，则可以加入硫酸抑制平衡正向进行，所以X试剂是硫酸；
萃取与反萃取过程和用CCl₄萃取碘水中的碘都是萃取，则相同点是有机层与水溶液不相溶而分层，不同点是这种萃取与反萃取过程利用平衡移动发生了化学反应，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
故答案为：VOSO₄ ；硫酸；有机层与水溶液不相溶而分层；这种萃取与反萃取过程利用平衡移动发生了化学反应，而用CCl₄萃取碘水中的碘利用了相似相溶原理是物理溶解；
（3）根据NH₄VO₃难溶于水，利用复分解反应沉淀VO₃^-，离子方程式为NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓，根据沉钒率与沉淀温度的图象可知，在80℃时沉矾率最高为98%，再根据氯化铵系数与沉钒率可知，氯化铵系数为4时沉钒率最高，所以最佳控制氯化铵系数和温度分别为4、80℃，
故答案为：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；4；80℃；
（4）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定（VO₂）₂SO₄溶液，发生氧化还原反应生成二氧化碳、VO²⁺和水，离子方程式为：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VOⁿ⁺+2CO₂↑+2H₂O，故答案为：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺═2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O；
（5）阳极反应是氧化反应，由电池总反应可知充电时，阳极电极反应为VO²⁺失去电子发生氧化反应生成VO₂⁺，则阳极电极反应为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案为：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．

点评 本题考查了铝热反应、氧化还原反应、离子反应、电化学等知识，题目难度中等，正确分析、理解工业流程是解题关键，注意明确铝热反应原理及电荷守恒、质量守恒在配平反应方程式中的应用．