Question

7．為回收利用廢釩催化劑（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣），科研人員最新研制了一種離子交換法回收釩的新工藝，主要流程如下：

部分含釩物質(zhì)在水中的溶解性見表．回答下列問題：

物質(zhì)	VOSO4	V2O5	NH4VO3	（VO2）2SO4
溶解性	可溶	難溶	難溶	易溶

（1）工業(yè)上用鋁熱劑法由V₂O₅冶煉金屬釩的化學(xué)方程式為3V₂O₅+10Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（2）濾渣1中含礬的物質(zhì)被Na₂SO₃還原的離子方程式為V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
請配平濾液2中VOSO₄被KClO₃氧化的化學(xué)方程式：6VOSO₄+KClO₃+3H₂O═3（VO₂）₂SO₄
+KCl+3H₂SO₄．
（3）步驟⑤沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數(shù)（NH₄Cl加入質(zhì)量與料液中
V₂O₅的質(zhì)量比）和溫度．根據(jù)圖判斷沉礬最佳控制氯化銨系數(shù)和溫度分別為4、80℃；從平
衡移動角度解釋沉礬過程中控制n（NH₄⁺）：n（VO₃^-）＞1：1，原因是增大銨根離子濃度，可以提高VO₃^-轉(zhuǎn)化率，以保證VO₃^-沉淀完全．
（4）步驟⑥反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+H₂O．

（5）全礬液流電池的電解質(zhì)溶液為VOSO₄溶液，電池的工作原理為：
VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充電}^{放電}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，電池充電時陽極的電極反應(yīng)式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；
若用放電的電流強(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，電解精煉銅得到銅mg，則電流利用效率為$\frac{965}{384}$m×100%（寫出表達(dá)式，不必計算出結(jié)果．已知：電量Q=It，t為時間秒；電解時Q=znF，$電流利用效率=\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}×100%$
z為每摩爾物質(zhì)得失電子數(shù)、法拉第常數(shù)F=96500C/mol，）．

Answer 1

分析 廢釩催化劑粉碎、水浸，將溶解性物質(zhì)溶于水，然后過濾得到濾渣和濾液，根據(jù)溶解性表知，濾液1中含有VOSO₄，濾渣中含有V₂O₅等不溶性雜質(zhì)，向濾渣中加入亞硫酸鈉和稀硫酸，亞硫酸鈉具有還原性，能將V₂O₅還原為VOSO₄，然后過濾得到濾渣和濾液2，將兩部分濾液混合并加入氯酸鉀，氯酸鉀具有氧化性，能將VOSO₄氧化為（VO₂）₂SO₄，調(diào)節(jié)溶液pH為8且采用離子交換方法得到VO₃^-，向溶液中加入氯化銨，得到難溶性的NH₄VO₃，焙燒NH₄VO₃得到V₂O₅，
（1）工業(yè)由V₂O₅冶煉金屬釩常用鋁熱劑法，鋁和五氧化二釩在高溫下發(fā)生置換反應(yīng)生成V，根據(jù)反應(yīng)物、生成物及反應(yīng)條件書寫方程式；
（2）根據(jù)溶解性表知，濾渣是V₂O₅，酸性條件下，V₂O₅和亞硫酸鈉發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成VOSO₄；VOSO₄被KClO₃氧化的反應(yīng)中礬從+4價變?yōu)?3價，氯元素從+5價變?yōu)?1價，根據(jù)電子得失守恒及元素守恒書寫化學(xué)方程式；
（3）根據(jù)圖知，在80℃、氯化銨系數(shù)為4時沉降率最大；根據(jù)平衡移動原理，增大銨根離子濃度，可以提高VO₃^-轉(zhuǎn)化率；
（4）步驟⑥反應(yīng)為NH₄VO₃受熱分解生成V₂O₅和NH₃，據(jù)此答題；
（5）全礬液流電池的電解質(zhì)溶液為VOSO₄溶液，電池的工作原理為：VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充電}^{放電}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，電池充電時陽極上VO²⁺失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電解精煉銅得到銅mg時，電解消耗的電量Q=znF，根據(jù)放電的電流強(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計算得電池的輸出電量，根據(jù)$電流利用效率=\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}×100%$，可計算出電流利用率．

解答 解：（1）工業(yè)由V₂O₅冶煉金屬釩常用鋁熱劑法，鋁和五氧化二釩在高溫下發(fā)生置換反應(yīng)生成V，反應(yīng)的化學(xué)方程式為3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，
故答案為：3V₂O₅+10Al $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃；
（2）根據(jù)溶解性表知，濾渣是V₂O₅，酸性條件下，V₂O₅和亞硫酸鈉發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成VOSO₄，反應(yīng)的離子方程式為V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，VOSO₄被KClO₃氧化的反應(yīng)中礬從+4價變?yōu)?3價，氯元素從+5價變?yōu)?1價，根據(jù)電子得失守恒及元素守恒可知，反應(yīng)的化學(xué)方程式為6VOSO₄+KClO₃+3H₂O═3（VO₂）₂SO₄+KCl+3H₂SO₄ ，
故答案為：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺═2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；6；3H₂O；
（3）根據(jù)圖知，在80℃、氯化銨系數(shù)為4時沉降率最大；根據(jù)平衡移動原理，增大銨根離子濃度，可以提高VO₃^-轉(zhuǎn)化率，
故答案為：4；80℃；增大銨根離子濃度，可以提高VO₃^-轉(zhuǎn)化率；
（4）步驟⑥反應(yīng)為NH₄VO₃受熱分解生成V₂O₅和NH₃，反應(yīng)的方程式為2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+H₂O，
故答案為：2NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$V₂O₅+2NH₃↑+H₂O；
（5）全礬液流電池的電解質(zhì)溶液為VOSO₄溶液，電池的工作原理為：VO₂⁺+V²⁺+2H⁺$?_{充電}^{放電}$VO²⁺+H₂O+V³⁺，電池充電時陽極上VO²⁺失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，電解精煉銅得到銅mg時，即銅的物質(zhì)的量為$\frac{m}{64}$mol，所以電解消耗的電量Q=2×$\frac{m}{64}$mol×96500C/mol=，根據(jù)放電的電流強(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計算得電池的輸出電量Q=It=2.0×10×60=1200C，所以$電流利用效率=\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}×100%$=$\frac{\frac{96500m}{32}C}{1200As}$×100%=$\frac{965}{384}$m×100%，
故答案為：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；$\frac{965}{384}$m×100%．

點評 本題考查物質(zhì)的分離和提純，為高頻考點，側(cè)重考查氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)方程式的書寫、原電池和電解池原理等知識點，明確反應(yīng)原理是解本題關(guān)鍵，知道流程圖中發(fā)生的反應(yīng)及實驗基本操作，難點是電流利用率的計算，題目難度中等．