Question

五氧化二钒广泛用于冶金、化工等行业，用作合金添加剂、生产硫酸或石油精炼用的催化剂等。为回收利用含钒催化剂，研制了一种利用废催化剂（含有V₂O₅、VOSO₄、不溶性硅酸盐）回收V₂O₅的新工艺流程如图：

已知：（1）部分含钒物质常温下在水中的溶解性如表所示：

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

（2）VO₂⁺+OH^-VO₃^-+H₂O

回答下列问题：

（1）用水浸泡废催化剂，为了提高单位时间内废钒的浸出率，在不加试剂情况下，可以采取的措施为__（写一条）。

（2）滤液1和滤液2中钒的存在形式相同，其存在形式为__（填离子符号）。

（3）每生成1mol（VO₂）₂SO₄时转移电子的数目为___。

（4）在滤渣1中加入Na₂SO₃和过量H₂SO₄溶液发生反应的离子方程式为___。

（5）结合化学用语，用平衡移动原理解释加入氨水的一种作用为__。

（6）新工艺流程的最后，钒以NH₄VO₃的形式沉淀出来；如图中横坐标表示反应II的温度，纵坐标表示沉钒率，沉钒率是指NH₄VO₃沉淀中V元素的质量和废催化剂中V元素的质量之比，也即是钒的回收率。请解释图中温度超过80℃以后，沉钒率下降的可能原因是___。

（7）该工艺流程中可以循环利用的物质为__。

（8）若实验室用的原料中V₂O₅占6%(原料中的所有钒已换算成V₂O₅)。取100克该废钒催化剂按工业生产的步骤进行实验。当加入100mL0.1mol/L的KClO₃溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理，假设与KClO₃反应后的操作步骤中钒没有损失，则该实验中钒的回收率是__（保留3位有效数字）。

Answer

粉碎废钒；搅拌；适当升温 VO2+ 2NA或1.204×1024 V2O5＋SO32-＋4H+=2VO2+＋SO42-＋2H2O 作用1：溶液中存在平衡：VO2++2OH-VO3-+H2O，加入氨水，使OH-浓度增大，该平衡正移，从而使VO2+尽可能都转化为VO3-

作用2：溶液中存在平衡:NH4VO3(s)NH4+(aq)+VO3-(aq)，加入氨水，使NH4+浓度增大，该平衡逆移，从而使NH4VO3尽可能沉淀析出 原因1：温度升高，NH4VO3溶解度增大，沉钒率下降。原因2：温度升高，氨水受热分解逸出溶液，使NH4+浓度下降，沉钒率下降。原因3：温度升高，氨水受热分解逸出溶液，使OH-浓度下降，VO2++2OH-VO3-+H2O，该平衡逆移，导致VO3-浓度下降，沉钒率下降。原因4：平衡VO2++2OH-VO3-+H2O，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导致VO3-浓度下降，沉钒率下降 氨水或NH3和H2O 91.0%

【解析】

废钒催化剂粉碎、水浸，将溶解性物质溶于水，然后过滤得到滤渣和滤液，根据溶解性表知，滤液中含有VOSO4，滤渣中含有V2O5等不溶性杂质，向滤渣中加入亚硫酸钠和稀硫酸，亚硫酸钠具有还原性，能将V2O5还原为VOSO4，然后过滤得到滤渣和滤液，将两部分滤液混合并加入氯酸钾，氯酸钾具有氧化性，能将VOSO4氧化为(VO2)2SO4，加入氨水，得到难溶性的NH4VO3，焙烧NH4VO3得到V2O5，以此解答该题。

（1）水浸时，为了提高废钒的浸出率，可粉碎废钒、搅拌，适当升高温度，延长浸泡时间；答案为：粉碎废钒；搅拌；适当升温；

（2）废催化剂（含有V2O5、VOSO4、不溶性硅酸盐）用水浸泡，根据题中信息，由于VOSO4是可溶的，过滤时进入虑液1中，又根据题中信息，滤液1和滤液2中钒的存在形式相同，则钒的存在形式为VO2+；答案为VO2+。

（3）由2VOSO4→(VO2)2SO4可以知道，V由+4价到+5价，1摩尔V失1摩尔电子，而(VO2)2SO4中有2摩尔V，故每生成1mol(VO2)2SO4转移2NA个电子；答案为2NA或1.204×1024。

（4）在滤渣1中加入Na2SO3和过量H2SO4溶液发生反应的离子方程式为：V2O5+SO32-+4H+＝2VO2++SO42-+2H2O；答案为V2O5+SO32-+4H+＝2VO2++SO42-+2H2O。

（5）溶液中存在平衡：VO2++2OH-VO3-+H2O，加入氨水，使OH-浓度增大，该平衡正移，从而使VO2+尽可能都转化为VO3-，另外溶液中存在平衡：NH4VO3（s）NH4+（aq）+VO3-（aq），加入氨水，使NH4+浓度增大，该平衡逆移，从而使NH4VO3尽可能沉淀析出；答案为作用1：溶液中存在平衡：VO2++2OH-VO3-+H2O，加入氨水，使OH-浓度增大，该平衡正移，从而使VO2+尽可能都转化为VO3-，作用2：溶液中存在平衡：NH4VO3（s）NH4+（aq）+VO3-（aq），加入氨水，使NH4+浓度增大，该平衡逆移，从而使NH4VO3尽可能沉淀析出；

（6）根据已知信息及物质的性质可知温度超过80℃以后，沉钒率下降的可能原因是，原因1：温度升高，NH4VO3溶解度增大，沉钒率下降。原因2：温度升高，氨水受热分解逸出溶液，使NH4+浓度下降，沉钒率下降。原因3：温度升高，氨水受热分解逸出溶液，使OH-浓度下降，VO2++2OH-VO3-+H2O，该平衡逆移，导致VO3-浓度下降，沉钒率下降。原因4：平衡VO2++2OH-VO3-+H2O，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导致VO3-浓度下降，沉钒率下降。

（7）钒酸铵加热分解2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O；产物中有V2O5、NH3、H2O，则氨气和水，可循环使用；答案为氨水或NH3和H2O。

（8）结合得失电子守恒和原子守恒配平得到加入氯酸钾时发生的反应离子方程式为：6VO2++ClO3-+3H2O＝6VO2++Cl-+6H+，根据该离子方程式可得如下关系：3V2O5～6VO2+～ClO3-，100 mL0.1mol/L的KClO3溶液中ClO3-的物质的量为n(ClO3-)=0.1L×0.1mol/L=0.01mol，则对应V2O5的物质的量为0.03mol，质量为：0.03mol×182g/mol=5.46g，所以该实验中钒的回收率为：×100%=91.0%；答案为91.0%。