Question

17．随着材料科学的发展，金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用，并被誉为“合金维生素”．工业上回收废钒催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂）中钒的主要流程如图1：

已知：V₂O₅和NH₄VO₃均为难溶物，VOSO₄和（VO₂）₂SO₄均为易溶物
回答下列问题：
（1）步骤①前，粉碎的目的是增大固液接触面积，加快浸出速率，提高浸出率
（2）步骤②中发生反应的离子方程式为V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O
（3）步骤③的变化过程可简化为（HA表示有机萃取剂）：VOSO₄ （水层）+2HA（有机层）?VOA₂（有机层）+H₂SO₄（水层）
步骤③的操作名称为萃取、分液
步骤④中可选择硫酸作反萃取的原因是加入硫酸使平衡向左移动，使VOSO₄进入水层
（4）V₂O₅可用金属（如Ca、Al）热还原法获得钒，则金属铝热还原制得钒的化学方程式为3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃
（5）全钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如图，电池放电时，左槽溶液由黄色变为蓝色，写出其电极反应VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O．

Answer 1

分析 废钒催化剂的主要成分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，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）根据影响化学反应速率的因素来回答；
（2）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，据此书写离子方程式；
（3）反萃取时加入的硫酸试剂是抑制平衡正向进行；
（4）金属铝和矾的氧化物反应得到金属钒和氧化铝，据此书写方程式；
（5）当左槽溶液逐渐由黄变蓝，即VO₂⁺转化为VO²⁺，发生得电子的还原反应．

解答 解：（1）将固体粉碎，增加固体的表面积，可以加快浸出速率，
故答案为：增大固液接触面积，加快浸出速率，提高浸出率；
（2）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，
故答案为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
（3）步骤③的操作名称为萃取分液，反萃取时分析平衡，VOSO₄ +（水层）+2HA₂（有机层）?VOA₂（有机层）+H₂SO₄（水层），加入硫酸抑制平衡正向进行，使VOSO₄进入水层；
故答案为：萃取、分液；加入硫酸使平衡向左移动，使VOSO₄进入水层；
（4）金属铝热还原制得钒的原理是：金属铝和矾的氧化物反应得到金属钒和氧化铝，其化学方程式为：3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，
故答案为：3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（5）当左槽溶液逐渐由黄变蓝，即VO₂⁺转化为VO²⁺，此时该极上发生得电子的还原反应，其电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O，
故答案为：VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O．

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、原电池原理分析、题干信息分析判断能力，掌握基础是关键，题目难度中等．