Question

14．某工廠廢棄的釩渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，現從該釩渣回收V₂O₅的工藝流程示意圖如圖1：

（已知：沉淀為（NH₄）₂V₆O_16\，全釩液流儲能電池是利用不同價態離子對氧化還原反應來實現化學能和電能相互轉化的裝置，②、③的變化過程可簡化為（下式R表示VO²⁺，HA表示有機萃取劑）．
R₂（SO₄）_n（水層）+2nHA（有機層）?2RAn（有機層）+nH₂SO₄（水層）
回答下列問題：
（1）（NH₄）₂V₆O₁₆中釩（V）的化合價為+5，①中產生的廢渣的主要成分是SiO₂．
（2）工藝中反萃取所用的X試劑為稀硫酸．
（3）為提高②中萃取效率，應采取的措施是加入堿（具體堿均可）中和硫酸使平衡正移、多次連續萃取．
（4）請完成④中的反應離子方程式：
1ClO${\;}_{3}^{-}$+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+1Cl^-+3H₂O
（5）成品V₂O₅可通過鋁熱反應來制取金屬釩，寫出該反應的化學方程式：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃．
（6）將兩個全釩液流儲能電池串聯后作為電源，用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液，通電時，為使Cl₂被完全吸收，制得有較強殺菌能力的消毒液，裝置如圖2：

b為電解池的陽極，全釩液流儲能電池正極的電極反應式為VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O；
若通過消毒液發生器的電子為0.2mol，則消毒液發生器中理論上最多能產生14.9 gNaClO．

Answer 1

分析 釩渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，加硫酸，二氧化硅不溶解，加入還原劑K₂SO₃，V₂O₅被還原為VO²⁺離子，加入有機萃取劑，通過萃取②，把剩余的酸和有機層分開，通過反萃取③，把萃取劑和離子分開，加入氧化劑氯酸鉀④，氯酸鉀把VO²⁺氧化成VO³⁺，離子方程式為：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺→6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，調節pH得到含釩的沉淀，焙燒得到V₂O₅和氨氣，有機萃取劑和氨氣再循環利用．
（1）根據化合價代數和為0確定化合價；廢釩催化劑的主要成分中二氧化硅不溶于酸；
（2）③中反萃取時加入的X試劑是抑制平衡正向進行；
（3）②中萃取時必須加入適量堿，分析平衡，R₂（SO₄）_n（水層）+2nHA（有機層）?2RAn（有機層）+nH₂SO₄（水層），加入的堿會和平衡中的氫離子反應促進平衡正向進行；提高②中萃取效率還可多次連續萃取；
（4）用化合價升降法配平方程式；
（5）鋁熱反應實質是置換反應，鋁與五氧化二釩反應生成釩與氧化鋁；
（6）在電解池的陰極上是陽離子得電子發生還原反應，在陽極上是陰離子發生失電子的氧化反應；原電池的正極發生還原反應；氯氣可以和強堿反應生成氯化鈉、次氯酸鈉和水，根據得失電子守恒計算理論上最多能產生NaClO的質量．

解答 解：釩渣中主要含V₂O₅、VOSO₄、K₂SO₄、SiO₂等，加硫酸，二氧化硅不溶解，加入還原劑K₂SO₃，V₂O₅被還原為VO²⁺離子，加入有機萃取劑，通過萃取②，把剩余的酸和有機層分開，通過反萃取③，把萃取劑和離子分開，加入氧化劑氯酸鉀④，氯酸鉀把VO²⁺氧化成VO³⁺，離子方程式為：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺→6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，調節pH得到含釩的沉淀，焙燒得到V₂O₅和氨氣，有機萃取劑和氨氣再循環利用．
（1）氮的化合價為-3價，氫得化合價為+1價，氧的化合價為-2價，設（NH₄）₂V₆O₁₆中釩中V元素的化合價為x，根據化合價代數和為0得：[-3+1×（+4）]×2+6x+（-2）×16=0，解得x=+5，二氧化硅不和硫酸反應，故廢渣中含二氧化硅，
故答案為：+5；SiO₂；
（2）③中反萃取時加入的X試劑是抑制平衡正向進行，可以加入硫酸抑制平衡正向進行，故答案為：稀硫酸；
（3））②中萃取時必須加入適量堿，分析平衡，R₂（SO₄）_n（水層）+2nHA（有機層）?2RAn（有機層）+nH₂SO₄（水層），即Rⁿ⁺（水層）+nHA（有機層）?RA_n（有機層）+nH⁺（水層），加入堿（具體堿均可）中和硫酸使平衡正移，提高②中萃取效率還可采取多次連續萃取，
故答案為：加入堿（具體堿均可）中和硫酸使平衡正移、多次連續萃取；
（4）氯元素化合價從+5→-1，化合價降低6，釩化合價從+4→+5，化合價升高1，二者最小公倍數為6，把變價元素配平，初步配平為：ClO₃^-+6VO²⁺+H⁺→6VO³⁺+Cl^-+H₂O，根據氧原子守恒確定H₂O前系數為3，氫離子前系數為6，故配平后為：ClO₃^-+6VO²⁺+6H⁺=6VO³⁺+Cl^-+3H₂O，
故答案為：1；6；6；6；1；Cl^-；3；H₂O；
（5）鋁與五氧化二釩反應生成釩與氧化鋁，反應反應方程式為：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，故答案為：10Al+3V₂O₅$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$6V+5Al₂O₃，
（6）將兩個全釩液流儲能電池串聯后作為電源，用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液，若通電時，為使生成的Cl₂被完全吸收，制得有較強殺菌能力的消毒液，則電解池的下端產生的是氯氣，上端產生的是氫氣，電解池的陰極上是陽離子氫離子得電子發生得電子的還原反應，生成氫氣，在陽極上是陰離子氯離子發生失電子的氧化反應，生成氯氣，所以a是陰極，b是陽極生成Cl₂，原電池的正極得到電子發生還原反應，全釩液流儲能電池正極的電極反應式為：VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O，制取消毒液所涉及反應的化學方程式為：Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O，每生成1molNaClO轉移1mol電子，若通過消毒液發生器的電子為0.2mol，理論上最多能產生NaClO的質量為0.2mol×74.5g/mol=14.9g，
故答案為：陽；VO₂⁺+e^-+2H⁺=VO²⁺+H₂O；14.9．

點評 本題考查了流程分析判斷、物質性質和實驗設計的方法應用、題干信息分析判斷能力，側重考查物質的分離提純、電解反應、電極產物的分析應用、工藝流程的理解，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．