Question

9．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	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\;}}{\;}$5Al₂O₃+6V．
（2）图中所示滤液中含钒的主要成分为VOSO₄（写化学式）．
（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．根据如图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2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O；
（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 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）VOSO₄为可溶性物质；
（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℃、氯化铵系数为4时沉降率最大；
（4）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；
（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．

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）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\;}}{\;}$5Al₂O₃+6V；
（2）VOSO₄为可溶性物质，所以溶液中的溶质为VOSO₄，故答案为：VOSO₄；
（3）该工艺中反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，铵根离子和VO₃^-反应生成难溶性的NH₄VO₃，离子方程式为NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓，根据图知，在80℃、氯化铵系数为4时沉降率最大，故答案为：NH₄⁺+VO₃^-=NH₄VO₃↓；4；80℃；
（4）该反应中V元素化合价由+5价变为+4价、C元素化合价由+3价变为+4价，转移电子数为2，再结合原子守恒、电荷守恒配平方程式为2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O，故答案为：2VO₂⁺+H₂C₂O₄+2H⁺=2VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O；
（5）全矾液流电池的电解质溶液为VOSO₄溶液，电池的工作原理为VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{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．