Question

2．金属钒及其化合物有着广泛的应用，现有如下回收利用含钒催化剂[含有V₂O₅、VOSO₄（强电解质）及不溶性残渣]的工艺的主要流程：

部分含钒物质在水中的溶解性如表所示：

物质	VOSO4	V2O5	NH4VO3	（VO2）2SO4	HVO3
溶解性	可溶	难溶	难溶	易溶	难溶

请回答下列问题：
（1）工业上常用铝热反应由V₂O₅冶炼金属钒，化学方程式为3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$5Al₂O₃+6V．
（2）反应①、②、③、④中，发生氧化还原反应的是①②（填序号），写出反应①的离子方程式V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O．操作1、操作2用到的玻璃仪器是烧杯、玻璃棒、漏斗．
（3）反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，图2是反应温度与沉钒率的关系图，则控制温度的方法是将反应容器置于80℃的水浴中．

（4）反应④在焙烧过程中随温度的升高发生了两步反应．已知234gNH₄VO₃固体质量的减少值△W随温度（T）变化的曲线如图3．试写出300℃～350℃时反应的化学方程式2HVO₃ $\frac{\underline{\;300°C-350°C\;}}{\;}$V₂O₅+H₂O．
（5）全钒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 废钒催化剂粉碎、水浸，将溶解性物质溶于水，然后过滤得到滤渣和滤液，根据溶解性表知，滤液中含有VOSO₄，滤渣中含有V₂O₅等不溶性杂质，向滤渣中加入亚硫酸钠和稀硫酸，亚硫酸钠具有还原性，能将V₂O₅还原为VOSO₄，然后过滤得到滤渣和滤液，将两部分滤液混合并加入氯酸钾，氯酸钾具有氧化性，能将VOSO₄氧化为（VO₂）₂SO₄，调节溶液pH为8且采用离子交换方法得到VO₃^-，向溶液中加入氯化铵，得到难溶性的NH₄VO₃，焙烧NH₄VO₃得到V₂O₅，
（1）工业由V₂O₅冶炼金属钒常用铝热剂法，铝和五氧化二钒在高温下发生置换反应生成V，根据反应物、生成物及反应条件书写方程式；
（2）反应过程中元素化合价变化的为氧化还原反应，反应①发生的反应是亚硫酸钠具有还原性，能将V₂O₅还原为VOSO₄，操作1、操作2是过滤操作，据此判断用到的玻璃仪器；
（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，铵根离子和VO₃^-反应生成难溶性的NH₄VO₃，根据图知，在80℃时沉降率最，图象可知沉钒率在80°C最高；
（4）NH₄VO₃在焙烧变化的图象和质量变化分析判断，根据NH₄VO₃在焙烧变化的图象可知：
2NH₄VO₃═V₂O₅+2NH₃↑+H₂O
234g                    34g            18g
减少值开始为0～17g，曲线到200℃时（约为16.0g）曲线开始平直；到约为300℃时又开始减少（H₂O的质量），到350℃时减少24g时就不再变化；
（5）电池充电时阳极上VO²⁺失电子发生氧化反应；

解答 解：（1）工业由V₂O₅冶炼金属钒常用铝热剂法，铝和五氧化二钒在高温下发生置换反应生成V，根据反应物、生成物及反应条件知，该反应方程式为3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$5Al₂O₃+6V，
故答案为：3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$5Al₂O₃+6V；
（2）反应①、②、③、④中，反应①是向滤渣中加入亚硫酸钠和稀硫酸，亚硫酸钠具有还原性，能将V₂O₅还原为VOSO₄，反应②发生氧化还原反应的是将两部分滤液混合并加入氯酸钾，氯酸钾具有氧化性，能将VOSO₄氧化为（VO₂）₂SO₄，为氧化还原反应，反应③调节溶液pH为8且采用离子交换方法得到VO₃^-，向溶液中加入氯化铵，得到难溶性的NH₄VO₃，属于复分解反应，反应④是焙烧NH₄VO₃得到V₂O₅，元素化合价未变不是氧化还原反应，氧化还原反应为①②，反应①的离子方程式为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，操作1、操作2是过滤操作，用到的玻璃仪器是：烧杯、玻璃棒、漏斗，
故答案为：①②；V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；烧杯、玻璃棒、漏斗；
（3）该工艺中反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，铵根离子和VO₃^-反应生成难溶性的NH₄VO₃，离子方程式为NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓，根据图知，在80℃时沉降率最大，控制温度的方法是：将反应容器置于80℃的水浴中，
故答案为：将反应容器置于80℃的水浴中；
（4）根据NH₄VO₃在焙烧变化的图象可知：
2NH₄VO₃═V₂O₅+2NH₃↑+H₂O
234g                     34g       18g
减少值开始为0～17g，曲线到200℃时（约为16.0g）曲线开始平直；到约为300℃时又开始减少（H₂O的质量），到350℃时减少24g时就不再变化，所以NH₄VO₃在焙烧过程中200℃时左右先失去氨生成HVO₃；HVO₃在300～350℃再失去水生成V₂O₅，反应的化学方程式为：2HVO₃$\frac{\underline{\;300°C-350°C\;}}{\;}$V₂O₅+H₂O，
故答案为：2HVO₃$\frac{\underline{\;300°C-350°C\;}}{\;}$V₂O₅+H₂O
（5）全矾液流电池的电解质溶液为VOSO₄溶液，电池的工作原理为VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充电}^{放电}$VO²⁺+H₂O+V³⁺．电池充电时阳极上VO²⁺失电子发生氧化反应，电极反应式为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案为：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．

点评 本题考查物质的分离和提纯，为高频考点，侧重考查氧化还原反应、离子反应方程式的书写、原电池和电解池原理等知识点，明确反应原理是解本题关键，知道流程图中发生的反应及实验基本操作，难点是电极反应式的书写，题目难度中等．