Question

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：

部分含釩物質在水中的溶解性如下：

回答下列問題：
(1)工業上由V₂O₅冶煉金屬釩常用鋁熱法，該反應的化學方程式為_______
(2)為了提高釩的浸出率，用酸浸使催化劑中的V₂O₅轉變成可溶于水的VOSO₄，與水浸液合并，再用KClO₃氧化,使+4價的V氧化成易溶于水的(VO₂)₂SO₄。反應①的離子方程式為_______;反應②的離子方程式為ClO₃^－＋6VO^2＋＋3H₂O＝6VO₂^＋＋6H^＋＋Cl^－。
(3)該工藝中反應③的沉淀率是回收釩的關鍵之一,該步反應的離子方程式為_______。
(4) 實驗室用的原料中V₂O₅占6%(原料中的所有釩已換算成V₂O₅)。取100g該廢釩催化劑按工業生產的步驟進行實驗，當加入100 mL 0.1 mol·L^-1的KC1O₃溶液時,溶液中的釩恰好被完全處理，假設以后各步釩沒有損失，則該實驗中釩的回收率是_______ (已知V₂O₅的相對分子質量為182)。
(5)   全釩液儲能電池是利用不同價態的離子對之間的氧化還原反應來實現化學能和電能相互轉化的裝置,其原理如右下圖所示。已知電池的總反應式為VO₂^＋＋V^2＋＋2H^＋VO^2＋＋V^3＋＋H₂O

①放電時的正極反應式為______________。
②放電過程中氫離子的作用是______________，充電時若轉移的電子為2mol，則左槽溶液中n（H⁺)的變化量為______________。

Answer 1

（16分）（1）3V₂O₅+10Al6V+5Al₂O₃ (2分) （2）①V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺＝2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O(3分)
（3）NH₄^＋＋VO₃^－＝NH₄VO₃↓(2分) （4）91%(3分) （5）①VO₂^＋＋2H^＋＋e^－＝VO^2＋＋H₂O(2分)
②參與正極反應和通過交換膜定向移動使電流通過溶液(2分)； 2mol(2分)

試題分析：（1）鋁是活潑的金屬，能和五氧化二釩發生鋁熱反應生成單質礬和氧化鋁，反應的化學方程式為3V₂O₅+10Al6V+5Al₂O₃。
（2）根據溶解性表知，濾渣是V₂O₅，酸性條件下，V₂O₅和亞硫酸鈉發生氧化還原反應生成VOSO₄，反應的離子反應方程式為V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺＝2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O。
（3）反應③是復分解反應，反應的離子方程式是NH₄^＋＋VO₃^－＝NH₄VO₃↓。
（4）根據V₂O₅＋SO₃^2-＋4H⁺＝2VO²⁺＋SO₄^2-＋2H₂O、ClO₃^－＋6VO^2＋＋3H₂O＝6VO₂^＋＋6H^＋＋Cl^－可知：
3V₂O₅～6VO²⁺～ClO₃^－
3mol         1mol
n            0.01mol
所以n＝0.03mol
因此該實驗中釩的回收率是×100%＝91.0%
（5）①原電池中負極失去電子，發生氧化反應。正極得到電子，發生還原反應。根據總的方程式可知VO₂^＋得到電子被還原為VO^2＋，因此正極電極反應式是VO₂^＋＋2H^＋＋e^－＝VO^2＋＋H₂O。
②根據①可知，放電時正極消耗氫離子，所以放電過程中氫離子的作用是參與正極反應和通過交換膜定向移動使電流通過溶液。根據裝置圖可知，充電時左槽電極和電源的正極相連，做陽極，電極反應式是VO^2＋＋H₂O－e^－＝VO₂^＋＋2H^＋，所以充電時若轉移的電子為2mol，則左槽溶液中n（H⁺)的變化量為2mol。