题目内容

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，主要流程如下：

部分含钒物质在水中的溶解性如下：
物质VOSO4V2O5NH4VO3（VO2）2SO4
溶解性可溶难溶难溶易溶
（1）图中所示滤液中含钒的主要成分为VOSO4（写化学式）．
（2）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．根据如图判断最佳控制氯化铵系数和温度为4和80℃．

（3）用硫酸酸化的H2C2O4溶液和（VO2）2SO4溶液反应，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+□2H+=□VO2++□CO2↑+□H2O
（4）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+，电池放电时正极的电极反应式为VO2++2H++e-═VO2++H2O．

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）废钒催化剂的组成及表中数据判断滤液主要成分分析，VOSO4为可溶性物质；
（2）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℃、氯化铵系数为4时沉降率最大；
（3）该反应中V元素化合价由+5价变为+4价、C元素化合价由+3价变为+4价，转移电子数为2，再结合原子守恒、电荷守恒配平方程式；
（4）全矾液流电池的电解质溶液为VOSO4溶液，根据电池的工作原理，电池充电时阳极上VO2+失电子发生氧化反应．

解答 解：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）废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣，由于V2O5为难溶物，VOSO4为可溶性物质，所以滤液中含钒的主要成分为VOSO4，
故答案为：VOSO4 ；
（2）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℃；
（3）该反应中V元素化合价由+5价变为+4价、C元素化合价由+3价变为+4价，转移电子数为2，再结合原子守恒、电荷守恒配平方程式为2VO2++H2C2O4+2H+=2VO2++2CO2↑+2H2O，故答案为：2VO2++H2C2O4+2H+=2VO2++2CO2↑+2H2O；
（4）正极反应是还原反应，由电池总反应可知放电时的正极反应为VO2++2H++e-═VO2++H2O，
故答案为：VO2++2H++e-═VO2++H2O．

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．

练习册系列答案
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温度范围/℃固体质量/g
150～2104.41
290～3202.41
890～9202.25
经测定，210～290℃过程中产生的气体只有CO2，此过程发生反应的化学方程式是3CoC2O4+2O2 $\frac{\underline{\;210℃-290℃\;}}{\;}$Co3O4+6CO2．[M（CoC2O4•2H2O）=183g•mol-1]
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途径⑤S$\stackrel{浓HNO_{3}}{→}$H2SO4
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