Question

20．废旧物的回收利用在工业中应用广泛．在生产硫酸的废钒催化剂中，一部分钒仍以V₂O₅形式存在，还有部分以VOSO₄形式存在，约占总钒的30%～70%．工业上对废钒催化剂回收处理，其工艺流程如下：

回答下列问题：
（1）V₂O₅在硫酸工业的接触室（设备）中用于SO₂的催化氧化反应．
（2）为了提高钒的浸出率，用酸浸使催化剂中的V₂O₅先转变成可溶于水的VOSO₄，生成的VOSO₄很易进入浸出液，经分离净化后与水浸液合并，再用氯酸钾氧化，使四价V氧化成可溶于水的（VO₂）₂SO₄，请写出，这两个反应的离子方程式：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O、C1O₃^-+6VO²⁺+3H₂O=6VO₂⁺+6H⁺+C1^-．
（3）写出沉钒得到NH₄VO₃沉淀的方程式为NH₄Cl+KVO₃=KCl+NH₄VO₃↓．
（4）试验用的原料中V₂O₅约占6%（原料中的所有钒已换算成V₂O₅）．取100g此废钒催化剂按工业生产的步骤进行实验，当加入10mL1mol•L^-1的KClO₃溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理，以后各步钒没有损失，则该工业生产中钒的回收率是91%．
（5）V₂O₅能与盐酸发生反应．60mL10mol•L^-1的HCl溶液与18.2g的V₂O₅恰好完全反应，生成2.24L（标准状况）氯气，则生成物中V的存在形式为VOC1₂或VO²⁺（写化学式）．
（6）工业上用铝热反应冶炼钒，还原得到的粗钒用电解法进行精炼，粗钒作阳极，VCl₂与KCl、CaCl₂共熔体作电解质．VCl₂可用钒与Cl₂直接化合制得．

Answer 1

分析 （1）根据V₂O₅在硫酸工业中作SO₂催化氧化为SO₃的催化剂解答；
（2）废催化剂中钒元素主要以难溶的V₂O₅和易溶的VOSO₄形式存在，粉碎后水浸后过滤，得到含VOSO₄的滤液Ⅰ，和沉淀V₂O₅；沉淀经酸浸溶解在硫酸中，形成含VO₂⁺离子的溶液，再加入亚硫酸钠，会发生氧化还原反应，V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，过滤后得到滤液Ⅱ，成分主要是VOSO₄，经分离净化后与水浸液合并，加入氯酸钾氧化，使VOSO₄氧化成可溶于水完全电离的（VO₂）₂SO₄，氯元素被还原为Cl^-，从而根据氧化还原反应的实质写出离子方程；
（3）根据流程图沉钒得到NH₄VO₃沉淀的反应为氯化铵和KVO₃发生复分解反应，生成难溶性的NH₄VO₃和KC1；
（4）由（2）中反应的方程式V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，C1O₃^-+6VO²⁺+3H₂O=6VO₂⁺+6H⁺+C1^-，可得关系式：3V₂O₅～6VO²⁺～C1O₃^-，则n（V₂O₅）=3n（C1O₃^-）=3n（KC1O₃）=3×0.01L×1mol•L^-1=0.03mol，100g此废钒催化剂含m（V₂0₅）=100g×6%=6g，n（V₂O₅）=$\frac{6g}{182g/mol}$=$\frac{6}{182}$mol，钒的回收率为：0.03÷$\frac{6}{182}$×100%=91%；
（5）根据氧化还原反应得失电子守恒，算出V₂O₅还原产物中V元素的化合价，再根据反应前后元素守恒，据此确定生成物中V的存在形式；
（6）电解精炼，粗钒应作阳极，溶解后在阴极析出得纯钒，VCl₂可用钒与Cl₂直接化合制得．

解答 解：（1）根据V₂O₅在硫酸工业中作SO₂催化氧化为SO₃的催化剂，在接触室中进行，
故答案为：接触室；SO₂催化氧化；
（2）根据题意和流程图中的转化，“酸浸”是将钒废催化剂中V₂O₅转变成可溶于水的VOSO₄，发生了氧化还原反应；含VOSO₄的酸浸液经分离净化后与水浸液（含VOSO₄）合并，用氯酸钾氧化，使VOSO₄氧化成完全电离可溶于水的（VO₂）₂SO₄，氯元素被还原为Cl^-，根据化合价的升降写出离子方程式．
故答案为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O   C1O₃^-+6VO²⁺+3H₂O=6VO₂⁺+6H⁺+C1^-；
（3）根据流程图沉钒得到NH₄VO₃沉淀的反应为氯化铵和KVO₃发生复分解反应，生成难溶性的NH₄VO₃和KC1，化学方程式为NH₄Cl+KVO₃=KCl+NH₄VO₃↓，
故答案为：NH₄Cl+KVO₃=KCl+NH₄VO₃↓；
（4）由（2）中反应的方程式V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，C1O₃^-+6VO²⁺+3H₂O=6VO₂⁺+6H⁺+C1^-，可得关系式：3V₂O₅～6VO²⁺～C1O₃^-，则n（V₂O₅）=3n（C1O₃^-）=3n（KC1O₃）=3×0.01L×1mol•L^-1=0.03mol，100g此废钒催化剂含m（V₂0₅）=100g×6%=6g，n（V₂O₅）=$\frac{6g}{182g/mol}$=$\frac{6}{182}$mol，钒的回收率为：0.03÷$\frac{6}{182}$×100%=91%，
故答案为：91%；
（5）根据氧化还原反应得失电子守恒，设生成物中V元素的化合价为x，则$\frac{2.24L}{22.4L}$×2=$\frac{18.2g}{182g/mol}$×（+5-x），x=+4，则V₂O₅还原产物中V元素的化合价为+4价，再根据反应前后元素守恒，据此确定生成物中V的存在形式为VOC1₂或VO²⁺，
故答案为：VOC1₂或VO²⁺；
（6）电解精炼，粗钒应作阳极，溶解后在阴极析出得纯钒，VCl₂可用钒与Cl₂直接化合制得，
故答案为：阳  Cl₂．

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，题干信息分析判断能力，掌握基础是关键，题目难度中等．