Question

16．为回收利用废钒催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄及SiO₂等，其中VOSO₄可溶于水），科研人员最新研制了一种回收钒的新工艺，其主要流程如图1：

（1）萃取、反萃取过程中所需的主要玻璃仪器为分液漏斗．
（2）上述流程中涉及到两处氧化还原反应．
①“浸取还原”过程的产物为VOSO₄，该反应的离子方程式为V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O．
②“氧化”过程无气体产生，溶液中VO²⁺转化为VO₂⁺，该反应的离子方程式为6VO²⁺+ClO₃^-+3H₂O=6VO₂⁺+Cl^-+6H⁺．
（3）“沉淀”过程中，沉钒率受温度、氯化铵系数（NH₄Cl的质量与调节pH之后的料液中VO₃^-的质量比）等的影响，其中温度与沉淀率的关系如图2所示，温度高于80℃沉钒率降低的可能原因是温度高于80度，导致部分氯化铵分解．
（4）上述流程中所得沉淀为一系列的聚合物种[其分子组成可用N_mH_nV_xO_y表示]，质谱法分析某沉淀的摩尔质量为832g/mol．取该沉淀83.2g用下列装置测定其组成，充分焙烧后玻璃管内残留V₂O₅固体为72.8g；所得气体通过U形管后，U形管增重3.6g．

①广口瓶中浓硫酸的作用为吸收产生的氨气．
②该沉淀的分子式为N₂H₁₆V₈O₂₂．

Answer 1

分析 废钒催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄及SiO₂等，其中VOSO₄可溶于水），废钒催化剂粉碎、加硫酸、亚硫酸钠浸取，亚硫酸钠具有还原性，能将V₂O₅还原为VOSO₄，发生反应：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，将溶解性物质溶于水，然后过滤得到滤渣和滤液，滤渣中含有SiO₂等不溶性杂质，将滤液中加入氯酸钾，氯酸钾具有氧化性，能将VOSO₄氧化为（VO₂）₂SO₄，调节溶液pH为8且采用离子交换方法得到VO₃^-，向溶液中加入氯化铵，得到难溶性的NH₄VO₃，焙烧NH₄VO₃得到V₂O₅．
（1）萃取、反萃取过程中，需要烧杯、分液漏斗等仪器；
（2）①“浸取还原”过程的产物为VOSO₄，据流程图和氧化还原剂原理，可写出反应的离子方程式；
②“氧化”过程无气体产生，溶液中VO²⁺转化为VO₂⁺，氯元素化合价从+5→-1，根据得失电子守恒和原子守恒书写离子方程式；
（3）沉钒率受温度、氯化铵系数（NH₄Cl的质量与调节pH之后的料液中VO₃^-的质量比）等的影响，根据图2分析坐标系中的表示含义，结合图中的沉矾率在80度C时最大，约为98%，温度高于80度，导致部分氯化铵分解；
（4）①图3干燥的氮气驱赶装置中的空气，碱石灰吸收产物水，浓硫酸吸收产物氨气；
②根据n=$\frac{m}{M}$计算出该沉淀的物质的量，得到的残留固体为V₂O₅，碱石灰吸收的为水、浓硫酸吸收的为氨气，根据题中数据计算出各分解产物的物质的量，再得出该沉淀的化学式即可．

解答 解：（1）萃取、反萃取过程中，需要烧杯、分液漏斗等仪器，主要玻璃仪器为分液漏斗，
故答案为：分液漏斗；
（2）①浸取还原过程的产物之一是VOSO₄，V化合价为+4，据是还原过程可得原反应物是更高价的V，即为V₂O₅，反应的化学方程式为：Na₂SO₃+V₂O₅+2H₂SO₄=2VOSO₄+Na₂SO₄+2H₂O，离子反应方程式为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O，
故答案为：V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；
②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⁺+H₂O→6VO₂⁺+Cl^-+H⁺，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：6VO²⁺+ClO₃^-+3H₂O=6VO₂⁺+Cl^-+6H⁺，
故答案为：6VO²⁺+ClO₃^-+3H₂O=6VO₂⁺+Cl^-+6H⁺；
（3）沉钒率受温度、氯化铵系数（NH₄Cl的质量与调节pH之后的料液中VO₃^-的质量比）等的影响，根据图示2分析数据，80℃时沉矾率最高为98%，温度高于80度，导致部分氯化铵分解，所以温度高于80℃沉钒率降低，
故答案为：温度高于80度，导致部分氯化铵分解；
（4）①沉淀为一系列的聚合物种[其分子组成可用N_mH_nV_xO_y表示]，取该沉淀83.2g，加热，产生氨气、水、五氧化二钒，图3干燥的氮气驱赶装置中的空气，碱石灰吸收产物水，浓硫酸吸收产物氨气，
故答案为：吸收产生的氨气；  
②n（沉淀）=83.2g÷832g/mol=0.1mol，由题意知沉淀分解生成H₂O、NH₃和V₂O₅，n（H₂O）=3.6g÷18g/mol=0.2mol，n（NH₃）=（83.2g-72.8g-3.6g）÷17g/mol=0.4mol，n（V₂O₅）=72.8g÷182g/mol=0.4moln（沉淀）：n（H₂O）：n（NH₃）：n（V₂O₅）=1：2：4：4，因此该物质的分子式为N₄H₁₆V₈O₂₂，
故答案为：N₂H₁₆V₈O₂₂．

点评 本题考查了回收钒的新工艺，侧重考查利用信息进行判断和书写方程式的能力，图象分析能力，提取钒元素的流程分析和氧化还原反应的应用，明确各个过程发生的反应及基本操作方法是解本题关键，题目难度中等．