Question

随着材料科学的发展，金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用,并被誉为“合金维生素”。工业上回收废钒催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性残渣），科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺，回收率达91．7%以上。该工艺的主要流程如图所示：

已知部分含钒物质在水中的溶解性如下表所示：

物质	VOSO4	V2O5	NH4VO3	（VO2）2SO4
溶解性	可溶	难溶	难溶	易溶

请问答下列问题：

（1）工业上由V₂O₅冶炼金属钒常用铝热剂法，其化学方程式可表示为____。

（2）滤液中含钒的主要成分________（写化学式）。反应①的离子方程式___________________。

（3）萃取和反萃取过程中所需的主要玻璃仪器为_____________。若反萃取使用硫酸用量过大，进一步处理会增加_______（填化学式）的用量，造成成本增大。

（4）该工艺反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，写出该步发生反应的离子方程式___________________。“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，其中温度与沉钒率的关系如图所示，温度高于80℃沉钒率降低的可能原因是___________________________。

（5）25℃时，取样进行试验分析，得到钒沉淀率和溶液pH之间关系如下表：

pH	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	2.0	2.1
钒沉淀率%	88.1	94.8	96.5	98.0	98.8	98.8	96.4	93.1	89.3

结合上表，在实际生产中，③中加入氨水，调节溶液的最佳pH值为____。若矾沉淀率为93.1%时不产生Fe（OH）₃沉淀，则溶液中c（Fe³⁺）＜_____。（已知：25℃时，Ksp[Fe（OH）₃]＝2.6×10^-39）

（6）废钒催化剂中V₂O₅的质量分数为6%（原料中的所有钒已换算成V₂O₅）。取100g此废钒催化剂按上述流程进行实验，当加入105mL　0.1mol•L^-1的KClO₃溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理，假设以后各步钒没有损失，则该工业生产中钒的回收率是______________。

Answer

3V2O5 + 10Al 6V + 5Al2O3 VOSO4 V2O5 + SO32- + 4H+ = 2V02+ +SO42- +2H2O 分液漏斗 NH3·H2O NH4+ + VO3- = NH4VO3 ↓ 温度高于80℃,导致部分氯化铵分解 1.7～1.8 2.6×10-3mol/L 95.55％

【解析】

（1）铝与五氧化二钒反应生成钒与氧化铝，反应方程式为

（2）因为VOSO4可溶，V2O5难溶，所以滤液中含钒的主要成分VOSO4。V2O5具有氧化性，Na2SO3具有还原性，所以反应①的离子方程式V2O5 + SO32- + 4H+ = 2V02+ +SO42- +2H2O。

（3）萃取和反萃取过程中所需的主要玻璃仪器为分液漏斗。若反萃取使用硫酸用量过大，进一步处理会增加NH3·H2O的用量，造成成本增大

（4）因为反应③为 NH4VO3为难溶性物质，所以该步发生反应的离子方程式NH4++ VO3-=NH4VO3。由图分析80℃之前沉钒率逐渐升高。80℃之后因为氯化铵受热分解了，导致NH4+离子浓度降低了，所以沉钒率逐渐减小。答案：NH4+ + VO3-=NH4VO3，温度高于80℃,导致部分氯化铵分解。

根据表中数据判断,(5)中加入氨水,调节溶液pH最佳值为1.7-1.8(或1.7、1.8其中一个),此时钡沉淀率达到最大,需要调节的PH较小;若钒沉淀率为93.1%，时不产生Fe(OH)3沉淀,此时PH=2,氢离子浓度=10-2 mol/L ,c(OH-)=10-12 mol/L,则溶液中才c（Fe3+）浓度根据溶度积计算Ksp[Fe（OH）3]＝c（Fe3+）. c3 (OH-)=2.6×10-39,,计算得到c（Fe3+）=2.6×10-3 mol/L,不产生Fe（OH）3沉淀,则溶液中c（Fe3+）<4.0×10-2 mol/L.,因此，本题正确答案是: 1.7-1.8 (或1.7、1.8其中一个);2.6×10-3mol/L.。

（6）根据题意V2O5+SO32-+4H+ =2V02++SO42-+2H2O,V02+被ClO3-氧化,由ClO3-+6 V02++6H+=6VO3++Cl-+3H2O ,可知

3V2O5～-6V02+～ClO3-

3mol 1mol

n 0.0105mol

解得n=0.0315mol,因此该实验中钒的回收率=[(0.0315mol×182g/mol )/(100g×6%.)]×100%=95.55％。