Question

7．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见表．回答下列问题：

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

（1）工业上用铝热剂法由V₂O₅冶炼金属钒的化学方程式为3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（2）滤渣1中含矾的物质被Na₂SO₃还原的离子方程式为V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
请配平滤液2中VOSO₄被KClO₃氧化的化学方程式：6VOSO₄+KClO₃+3H₂O═3（VO₂）₂SO₄
+KCl+3H₂SO₄．
（3）步骤⑤沉钒率的高低除受溶液pH影响外，还需要控制氯化铵系数（NH₄Cl加入质量与料液中
V₂O₅的质量比）和温度．根据图判断沉矾最佳控制氯化铵系数和温度分别为4、80℃；从平
衡移动角度解释沉矾过程中控制n（NH₄⁺）：n（VO₃^-）＞1：1，原因是增大铵根离子浓度，可以提高VO₃^-转化率，以保证VO₃^-沉淀完全．
（4）步骤⑥反应的化学方程式为2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+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⁺；
若用放电的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，电解精炼铜得到铜mg，则电流利用效率为$\frac{965}{384}$m×100%（写出表达式，不必计算出结果．已知：电量Q=It，t为时间秒；电解时Q=znF，$电流利用效率=\frac{负载利用电量}{电池输出电量}×100%$
z为每摩尔物质得失电子数、法拉第常数F=96500C/mol，）．

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1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2，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）根据溶解性表知，滤渣是V₂O₅，酸性条件下，V₂O₅和亚硫酸钠发生氧化还原反应生成VOSO₄；VOSO₄被KClO₃氧化的反应中矾从+4价变为+3价，氯元素从+5价变为-1价，根据电子得失守恒及元素守恒书写化学方程式；
（3）根据图知，在80℃、氯化铵系数为4时沉降率最大；根据平衡移动原理，增大铵根离子浓度，可以提高VO₃^-转化率；
（4）步骤⑥反应为NH₄VO₃受热分解生成V₂O₅和NH₃，据此答题；
（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，电解精炼铜得到铜mg时，电解消耗的电量Q=znF，根据放电的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，可计算得电池的输出电量，根据$电流利用效率=\frac{负载利用电量}{电池输出电量}×100%$，可计算出电流利用率．

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，反应的化学方程式为3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，
故答案为：3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃；
（2）根据溶解性表知，滤渣是V₂O₅，酸性条件下，V₂O₅和亚硫酸钠发生氧化还原反应生成VOSO₄，反应的离子方程式为V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，VOSO₄被KClO₃氧化的反应中矾从+4价变为+3价，氯元素从+5价变为-1价，根据电子得失守恒及元素守恒可知，反应的化学方程式为6VOSO₄+KClO₃+3H₂O═3（VO₂）₂SO₄+KCl+3H₂SO₄ ，
故答案为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；6；3H₂O；
（3）根据图知，在80℃、氯化铵系数为4时沉降率最大；根据平衡移动原理，增大铵根离子浓度，可以提高VO₃^-转化率，
故答案为：4；80℃；增大铵根离子浓度，可以提高VO₃^-转化率；
（4）步骤⑥反应为NH₄VO₃受热分解生成V₂O₅和NH₃，反应的方程式为2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+H₂O，
故答案为：2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+H₂O；
（5）全矾液流电池的电解质溶液为VOSO₄溶液，电池的工作原理为：VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充电}^{放电}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，电池充电时阳极上VO²⁺失电子发生氧化反应，电极反应式为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，电解精炼铜得到铜mg时，即铜的物质的量为$\frac{m}{64}$mol，所以电解消耗的电量Q=2×$\frac{m}{64}$mol×96500C/mol=，根据放电的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，可计算得电池的输出电量Q=It=2.0×10×60=1200C，所以$电流利用效率=\frac{负载利用电量}{电池输出电量}×100%$=$\frac{\frac{96500m}{32}C}{1200As}$×100%=$\frac{965}{384}$m×100%，
故答案为：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；$\frac{965}{384}$m×100%．

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，难点是电流利用率的计算，题目难度中等．