Question

20．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下：

回答下列问题：
（1）（NH₄）₂V₆O₁₆中钒（V）的化合价为+5，①中废渣的主要成分是SiO₂．
（2）工艺中反萃取所用的X试剂为稀硫酸．
（3）②、③的变化过程可简化为（其中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），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：1ClO₃^-+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：

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．

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．

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；1Cl^-；3H₂O；
（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，
故答案为：阳；VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O．

点评 本题考查了流程分析判断，为高考常见题型，侧重考查物质性质和实验设计的方法应用、题干信息分析判断能力，注意把握物质的分离提纯、电解反应、电极产物的分析应用、工艺流程的理解，题目难度中等．