Question

14．某工厂废弃的钒渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，现从该钒渣回收V₂O₅的工艺流程示意图如图1：

（已知：沉淀为（NH₄）₂V₆O_16\，全钒液流储能电池是利用不同价态离子对氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，②、③的变化过程可简化为（下式R表示VO²⁺，HA表示有机萃取剂）．
R₂（SO₄）_n（水层）+2nHA（有机层）?2RAn（有机层）+nH₂SO₄（水层）
回答下列问题：
（1）（NH₄）₂V₆O₁₆中钒（V）的化合价为+5，①中产生的废渣的主要成分是SiO₂．
（2）工艺中反萃取所用的X试剂为稀硫酸．
（3）为提高②中萃取效率，应采取的措施是加入碱（具体碱均可）中和硫酸使平衡正移、多次连续萃取．
（4）请完成④中的反应离子方程式：
1ClO${\;}_{3}^{-}$+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+1Cl^-+3H₂O
（5）成品V₂O₅可通过铝热反应来制取金属钒，写出该反应的化学方程式：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（6）将两个全钒液流储能电池串联后作为电源，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl₂被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，装置如图2：

b为电解池的阳极，全钒液流储能电池正极的电极反应式为VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O；
若通过消毒液发生器的电子为0.2mol，则消毒液发生器中理论上最多能产生14.9 gNaClO．

Answer 1

分析 钒渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，加硫酸，二氧化硅不溶解，加入还原剂K₂SO₃，V₂O₅被还原为VO²⁺离子，加入有机萃取剂，通过萃取②，把剩余的酸和有机层分开，通过反萃取③，把萃取剂和离子分开，加入氧化剂氯酸钾④，氯酸钾把VO²⁺氧化成VO³⁺，离子方程式为：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺→6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，调节pH得到含钒的沉淀，焙烧得到V₂O₅和氨气，有机萃取剂和氨气再循环利用．
（1）根据化合价代数和为0确定化合价；废钒催化剂的主要成分中二氧化硅不溶于酸；
（2）③中反萃取时加入的X试剂是抑制平衡正向进行；
（3）②中萃取时必须加入适量碱，分析平衡，R₂（SO₄）_n（水层）+2nHA（有机层）?2RAn（有机层）+nH₂SO₄（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；提高②中萃取效率还可多次连续萃取；
（4）用化合价升降法配平方程式；
（5）铝热反应实质是置换反应，铝与五氧化二钒反应生成钒与氧化铝；
（6）在电解池的阴极上是阳离子得电子发生还原反应，在阳极上是阴离子发生失电子的氧化反应；原电池的正极发生还原反应；氯气可以和强碱反应生成氯化钠、次氯酸钠和水，根据得失电子守恒计算理论上最多能产生NaClO的质量．

解答 解：钒渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，加硫酸，二氧化硅不溶解，加入还原剂K₂SO₃，V₂O₅被还原为VO²⁺离子，加入有机萃取剂，通过萃取②，把剩余的酸和有机层分开，通过反萃取③，把萃取剂和离子分开，加入氧化剂氯酸钾④，氯酸钾把VO²⁺氧化成VO³⁺，离子方程式为：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺→6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，调节pH得到含钒的沉淀，焙烧得到V₂O₅和氨气，有机萃取剂和氨气再循环利用．
（1）氮的化合价为-3价，氢得化合价为+1价，氧的化合价为-2价，设（NH₄）₂V₆O₁₆中钒中V元素的化合价为x，根据化合价代数和为0得：[-3+1×（+4）]×2+6x+（-2）×16=0，解得x=+5，二氧化硅不和硫酸反应，故废渣中含二氧化硅，
故答案为：+5；SiO₂；
（2）③中反萃取时加入的X试剂是抑制平衡正向进行，可以加入硫酸抑制平衡正向进行，故答案为：稀硫酸；
（3））②中萃取时必须加入适量碱，分析平衡，R₂（SO₄）_n（水层）+2nHA（有机层）?2RAn（有机层）+nH₂SO₄（水层），即Rⁿ⁺（水层）+nHA（有机层）?RA_n（有机层）+nH⁺（水层），加入碱（具体碱均可）中和硫酸使平衡正移，提高②中萃取效率还可采取多次连续萃取，
故答案为：加入碱（具体碱均可）中和硫酸使平衡正移、多次连续萃取；
（4）氯元素化合价从+5→-1，化合价降低6，钒化合价从+4→+5，化合价升高1，二者最小公倍数为6，把变价元素配平，初步配平为：ClO₃^-+6VO²⁺+H⁺→6VO³⁺+Cl^-+H₂O，根据氧原子守恒确定H₂O前系数为3，氢离子前系数为6，故配平后为：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，
故答案为：1；6；6；6；1；Cl^-；3；H₂O；
（5）铝与五氧化二钒反应生成钒与氧化铝，反应反应方程式为：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，故答案为：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，
（6）将两个全钒液流储能电池串联后作为电源，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，若通电时，为使生成的Cl₂被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，则电解池的下端产生的是氯气，上端产生的是氢气，电解池的阴极上是阳离子氢离子得电子发生得电子的还原反应，生成氢气，在阳极上是阴离子氯离子发生失电子的氧化反应，生成氯气，所以a是阴极，b是阳极生成Cl₂，原电池的正极得到电子发生还原反应，全钒液流储能电池正极的电极反应式为：VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O，制取消毒液所涉及反应的化学方程式为：Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O，每生成1molNaClO转移1mol电子，若通过消毒液发生器的电子为0.2mol，理论上最多能产生NaClO的质量为0.2mol×74.5g/mol=14.9g，
故答案为：阳；VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O；14.9．

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，侧重考查物质的分离提纯、电解反应、电极产物的分析应用、工艺流程的理解，掌握基础是关键，题目难度中等．