Question

9．工业上常用钒炉渣（主要含FeO•V₂O₃，还有少量SiO₂、P₂O₅等杂质）提取V₂O₅的流程如图1

（1）焙烧的目的是将FeO•V₂O₃转化为可溶性NaVO₃，写出该反应的化学方程式4FeO•V₂O₅+4Na₂CO₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8NaVO₃+2Fe₂O₃+4CO₂；浸出渣的主要成分为Fe₂O₃（填化学式）．
（2）用MgSO₄溶液除硅、磷时，滤渣的主要成分为Mg₃（PO₄）₂、MgSiO₃．
①若滤液中c（SiO₃^2-）=0.08mol•L^-1，则c（PO₄^3-）=1.0×10^-8mol/L．
②随着温度的升高，Mg²⁺水解程度增大，导致除磷率下降，但除硅率升高，其原因是温度升温促进SiO₃^2-水解生成硅酸沉淀，除硅率升高．
已知：K_sp（MgSiO₃）=2.4×10^-5，K_sp[Mg₃（PO₄）₂]=2.7×10^-27；随温度升高，MgSiO₃、Mg₃（PO₄）₂的溶解度变化忽略不计．
（3）在焙烧NH₄VO₃的过程中，固体质量的减少值（纵坐标）随温度变化的曲线如图2示，则210℃时，剩余固体物质的化学式为HVO₃ ．
（4）元素钒在溶液中主要以V²⁺（紫色）、V³⁺（绿色）、VO²⁺（蓝色）、VO₂⁺（黄色）等形式存在．钒液可充电电池的工作原理如图3示．
已知溶液中c（H⁺）=1.0mol•L^-1，阴离子为SO₄^2-．
①充电时，左槽溶液颜色由蓝色逐渐变为黄色，其电极反应式为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．
②放电过程中，右槽溶液颜色变化为由紫色变化为绿色．
③放电时，若转移的电子数为3.01×10²²个，左槽溶液中n（H⁺）的变化量为减少0.05mol．

Answer 1

分析 钒炉渣（主要含FeO•V₂O₃，还有少量SiO₂、P₂O₅等杂质），加入碳酸钠通入空气焙烧，产物水浸过滤得到滤渣主要是氧化铁，溶液中加入硫酸镁除去硅磷过滤，滤渣的主要成分为Mg₃（PO₄）₂、MgSiO₃．滤液中加入硫酸铵沉钒生成NH₄VO₃，受热分解生成V₂O₅，
（1）焙烧的目的是将FeO•V₂O₃转化为可溶性NaVO₃，氧化铁和二氧化碳；浸出渣为氧化铁；
（2）①根据Ksp（MgSiO₃）=c（Mg²⁺）c（SiO₃^2-）=2.4×l0^-5，结合c（SiO₃^2-）=0.08mol/L，K_sp[Mg₃（PO₄）₂]=2.7×10^-27进行计算c（PO₄^3-）；
②随着温度的升高，Mg²⁺水解程度增大，导致除磷率下降，但除硅率升高是因为升温促进硅酸根离子水解生成硅酸沉淀；
（3）210°C剩余固体占起始固体85.47%，NH₄VO₃的过程中生成氨气和HVO₃，HVO₃，进一步分解生成V₂O₅；
（4）①充电时，左槽溶液颜色由蓝色逐渐变为黄色是VO²⁺（蓝色）变化为VO₂⁺（黄色），化合价升高失电子发生氧化反应；
②放电过程中，右槽为负极，发生氧化反应，由V²⁺生成V³⁺；
③放电时，左槽发生的反应为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，当转移电子为3.01×10²²个即为0.05 mol电子时，消耗氢离子为1 mol．

解答 解：钒炉渣（主要含FeO•V₂O₃，还有少量SiO₂、P₂O₅等杂质），加入碳酸钠通入空气焙烧，产物水浸过滤得到滤渣主要是氧化铁，溶液中加入硫酸镁除去硅磷过滤，滤渣的主要成分为Mg₃（PO₄）₂、MgSiO₃．滤液中加入硫酸铵沉钒生成NH₄VO₃，受热分解生成V₂O₅，
（1）焙烧的目的是将FeO•V₂O₃转化为可溶性NaVO₃，氧化铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：4FeO•V₂O₅+4Na₂CO₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8NaVO₃+2Fe₂O₃+4CO₂，浸出渣为氧化铁，化学式为Fe₂O₃，
故答案为：4FeO•V₂O₅+4Na₂CO₃+5O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8NaVO₃+2Fe₂O₃+4CO₂；Fe₂O₃；
（2）①根据Ksp（MgSiO₃）=c（Mg²⁺）c（SiO₃^2-）=2.4×l0^-5，结合c（SiO₃^2-）=0.08mol/L计算镁离子浓度，c（Mg²⁺）=$\frac{2.4×1{0}^{-5}}{0.08}$=3.0×10^-4mol/L，依据K_sp[Mg₃（PO₄）₂]=2.7×10^-27进行计算，c（PO₄^3-）=$\sqrt{\frac{2.7×1{0}^{-27}}{（3.0×1{0}^{-4}）^{3}}}$=1.0×10^-8mol/L，
故答案为：1.0×10^-8mol/L；
②随着温度的升高，Mg²⁺水解程度增大，导致除磷率下降，但除硅率升高是因为升温促进硅酸根离子水解生成硅酸沉淀，除硅率升高，
故答案为：温度升温促进SiO₃^2-水解生成硅酸沉淀，除硅率升高；
（3）NH₄VO₃的过程中生成氨气和HVO₃，HVO₃，进一步分解生成V₂O₅，210°C若分解生成酸和氨气，则剩余固体占起始固体百分含量=$\frac{100}{117}$×100%=85.47%，210℃时，剩余固体物质的化学式为：HVO₃，
故答案为：HVO₃；
（4）①充电时，左槽溶液颜色由蓝色逐渐变为黄色是VO²⁺（蓝色）变化为VO₂⁺（黄色），化合价升高失电子发生氧化反应，电极反应为：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案为：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；
②放电过程中，右槽为负极，发生氧化反应，由V²⁺生成V³⁺，溶液颜色由紫色变为蓝色，故答案为：由紫色变为蓝色；
③放电时，左槽发生的反应为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，当转移电子为3.01×10²²个物质的量=$\frac{3.01×1{0}^{22}}{6.02×1{0}^{23}}$=0.05 mol电子时，消耗氢离子为1 mol，此时氢离子参与正极反应，通过交换膜定向移动使电流通过溶液，溶液中离子的定向移动可形成电流，通过0.05mol电子，则左槽溶液中n（H⁺）的变化量减少物质的量=1mol-0.05mol=0.05mol，
故答案为：减少0.05mol．

点评 本题考查较为综合，涉及原电池、电解池以及离子浓度大小比较等，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，注意把握原电池、电解池的工作原理，为解答该题的关键，难度中等．