新高考化学一轮复习考点巩固练习18 金属及其化合物制备流程（V）（解析版）

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一、物理性质：
银白色金属，有良好的延展性。密度 5.96克/厘米3，熔点 1890±10℃，沸点3380℃，主要化合价+2、+3、+4、+5。
二、化学性质：
常温下化学性质不活动，有较强的耐腐蚀性，不与空气、水反应，也不和非氧化性酸及强碱溶液反应。能溶于氢氟酸、硝酸和王水。高温条件下，钒和氧、氮、碳能反应。
三、用途：
主要用于制合金钠和催化剂。1830年瑞典的塞夫斯唐姆发现了钒。主要矿物有钒酸钾铀矿、铅钒矿等。用钙还原五氧化二钒或用镁还原三氯化钒制得。
四、五氧化二钒提取工艺
传统工艺
（1）国内目前的提钒工艺多为食盐钠化焙烧工艺流程。

（2）无盐焙烧-酸浸-溶剂萃取工艺：
无盐焙烧-酸浸-溶剂萃取工艺一般包括焙烧、酸浸、沉钒、制偏钒酸铵和煅烧几个步骤 。
【专题精练】
1．(2021届山东寿光高三月考)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。从废钒催化剂中(含有K2SO4、V2O5、V2O4、SiO2、Fe2O3、Al2O3等)回收钒，既能避免对环境的污染，又能节约宝贵的资源。回收工艺流程如下：
已知：①“酸浸”时V2O5和V2O4先与稀硫酸反应分别生成和VO2+。
②有机萃取剂萃取VO2+的能力比萃取的能力强。
③溶液中与可相互转化：+H2O+2H+
(1)“酸浸”时，FeSO4参与反应的化学方程式为___________。
(2)“萃取”和“反萃取”时，将发生R2(SO4)n(水层)+2nHA(有机层)2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)(R表示VO2+，HA表示有机萃取剂)，“反萃取”加入试剂___________。(填化学式)假设“滤液2”中c(VO2+)=aml·L—1，“萃取”和“反萃取”每进行一次，VO2+萃取率为90％，4次操作后，“滤液2”中残留的c(VO2+)=___________ml·L-1.(萃取率=×100％)
(3)“氧化”过程中发生反应的离子方程式为___________。
(4)“沉钒”时，通入氨气的作用是___________，以沉钒率(NH4VO3沉淀中V的质量和废催化剂V的质量之比)表示该步反应钒的回收率。请解释下图温度超过80℃以后，沉钒率下降的可能原因是___________。
(5)该工艺流程中，可以循环使用的物质有___________。
【答案】(1) (VO2)2SO4+2FeSO4+2H2SO4=2VOSO4+Fe2(SO4)3+2H2O (2) H2SO4 10-4a (3)3H2O++6VO2+=6+Cl-+6H+ (4) 使+H2O2+2H+正向移动，将转化为，同时增大浓度，使NH4VO3(s) (aq)+(aq)逆向移动使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、NH4Cl受热分解逸出溶液，使浓度下降，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，+H2O+2H+，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降；原因4：平衡+H2O+2H+，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降。 (5) 有机物(有机萃取剂)、NH3和H2O
【解析】
(1)由上分析可知，“酸浸”时，FeSO4与(VO2)2SO4发生氧化还原反应，生成VOSO4和Fe2(SO4)3，化学方程式为(VO2)2SO4+2FeSO4+2H2SO4=2VOSO4+Fe2(SO4)3+2H2O；答案为(VO2)2SO4+2FeSO4+2H2SO4=2VOSO4+Fe2(SO4)3+2H2O。
(2)由R2(SO4)n(水层)+2nHA(有机层)2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)(R表示VO2+，HA表示有机萃取剂)可知，“反萃取”时，要使VO2+进入水层，使上述平衡向逆反应方向移动，应加入H2SO4；假设“滤液2”中c(VO2+)=aml·L—1，“萃取”和“反萃取”每进行一次，VO2+萃取率为90％，4次操作后，依据萃取率90%，剩余溶液中10%，“滤液2”中残留的c(VO2+)=a×10%×10%×10%×10%=1.0a×l0-4ml·L-1=10-4a ml·L-1；答案为H2SO4，10-4a。
(3)氧化过程是KClO3将VO2+氧化为，中氯元素得电子被还原为Cl-，其离子方程式为3H2O++6VO2+=6+Cl-+6H+；答案为3H2O++6VO2+=6+Cl-+6H+。
(4) 溶液中存在平衡+H2O+2H+，通入氨气，使溶液中OH-浓度增大，消耗了H+，该平衡正移，从而使尽可能都转化为，另外溶液中存在平衡NH4VO3(s) (aq)+(aq)，通入氨气，使溶液中浓度增大，该平衡逆移，从而使NH4VO3尽可能沉淀析出；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、NH4Cl受热分解逸出溶液，使浓度下降，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，+H2O+2H+，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降；原因4：平衡+H2O+2H+，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降；答案为使+H2O2+2H+正向移动，将转化为，同时增大浓度，使NH4VO3(s)(aq)+(aq)逆向移动使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、NH4Cl受热分解逸出溶液，使浓度下降，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，+H2O+2H+，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降；原因4：平衡+H2O+2H+，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导致浓度下降，沉钒率下降。
(5) 钒酸铵加热分解生成V2O5、氨气和水，即2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O，NH3和H2O可循环使用，“萃取”和“反萃取”时，有机萃取剂也可循环使用；答案为有机物(有机萃取剂)、NH3和H2O。
2．(2021届北京市门头沟区高三一模)在钢中加入一定量的钒，就能使钢的硬度、耐腐蚀性大增。工业上以富钒炉渣(主要成分为、和等)为原料提取五氧化二钒的工艺流程如下：
(1)在第—步操作焙烧过程中转化为可溶性，该反应的化学方程式为___________。
(2)焙烧炉中可用代替NaCl与富钒炉渣焙烧制得偏钒酸钠。用代替NaCl的优点是___________。
(3)以上流程中应用过滤操作的有___________，在第三步操作后加入氯化铵得到偏钒酸铵，为使钒元素的沉降率达到98%，要加入较多的，从平衡角度分析原因___________。
(4)产品纯度测定：将mg产品溶于足量稀硫酸配成溶液。取20.00mL该溶液于锥形瓶中，用标准溶液进行滴定，经过三次滴定，达到滴定终点时平均消耗标准溶液的体积为20.00mL。
资料：钒的盐类的颜色五光十色，有绿的、红的、黑的、黄的，绿的碧如翡翠，黑的犹如浓墨。这些色彩缤纷的钒的化合物，常被制成鲜艳的颜料。如：溶液为黄色，溶液为蓝色，而五氧化二钒则是红色的。
①完成下列滴定过程的离子方程式。，_____________
②该滴定实验不需要另外加入指示剂，达到滴定终点的现象是___________。
③产品的纯度为___________。(用质量分数表示)已知相对分子质量：；。
【答案】(1) (2) 不会产生污染环境的氯气 (3) ③和④ 铵根和偏钒酸跟水解方程式为、,增加铵根的浓度促进偏钒酸根水解 (4) ① ② 当滴入最后一滴标准液后，溶液由黄色变为蓝色，且半分钟内不恢复到原来的的颜色 ③
【解析】
(1)第一步焙烧的将五氧化二钒转化为偏钒酸钠，根据氧化还原反应的规律可得反应为，故填；
(2)用碳酸钠代替氯化钠时不会产生污染环境的氯气，故填不会产生污染环境的氯气；
(3)根据流程可知，水浸后偏钒酸钠溶于水，氧化铁和二氧化硅不溶于水，需过滤除去；在滤液中加入氯化铵和硫酸后有偏钒酸铵析出，需过滤得到偏钒酸铵；铵根和偏钒酸跟水解方程式为、,增加铵根的浓度促进偏钒酸根水解，故填③和④、铵根和偏钒酸跟水解方程式为、,增加铵根的浓度促进偏钒酸根水解；
(4)①根据氧化还原反应的规律可得，故填；
②溶液为黄色，溶液为蓝色，所以终点的现象为当滴入最后一滴标准液后，溶液由黄色变为蓝色，且半分钟内不恢复到原来的的颜色，故填当滴入最后一滴标准液后，溶液由黄色变为蓝色，且半分钟内不恢复到原来的的颜色；
③根据反应可得关系式，可得，带入数据可得ml/L，=2a×0.1=0.2a ml，又，故=0.1a ml，=0.1a×182=18.2a g，样品的质量分数为==，故填。
3．(2021届福建高三12月联考)钒(V)为过渡元素，可形成多价态化合物。
(1)全钒液流电池是一种新型的绿色环保储能系统，工作原理如图：
已知：
①全钒液流电池放电时V2+发生氧化反应，该电池放电时总反应式是___________。
②当完成储能时，正极溶液的颜色是___________。
(2)金属钒熔点高、硬度大，具有良好的可塑性和低温抗腐蚀性。工业常用钒炉渣(主要含FeO·V2O3，还有少量Al2O3、CuO等杂质)提取金属钒，流程如图：
已知：Ⅰ.钒有多种价态，其中+5价最稳定。钒在溶液中主要以VO和VO的形式存在，存在平衡：VO+H2O⇌VO+2H+。
Ⅱ. 部分金属离子的沉淀pH：
回答下列问题：
①碱浸步骤中最好选用___________(填字母)。
a. NaOH溶液 b. 氨水 c. 纯碱溶液
②焙烧的目的是将FeO·V2O3转化为可溶性NaVO3，其中铁元素全部转化为+3价的氧化物，写出该反应的化学方程式___________。
③溶液1到溶液2的过程中，调节pH至8有两个目的，一是除去___________离子，二是促使___________。
④沉钒步骤中，钒以NH4VO3的形式沉淀出来。图中横坐标表示反应温度，纵坐标表示沉钒率(沉钒率是指NH4VO3沉淀中V元素的质量和流程起始时在废钒催化剂中V元素的质量之比)。图中温度超过80℃以后，沉钒率下降的可能原因是________
⑤常用铝热反应法由V2O5冶炼金属钒，请写出反应的化学方程式___________。
【答案】(1) ①V2++ VO+2H+=V3++VO2++H2O ② 黄色 (2) ① a ②4FeO·V2O3+4Na2CO3+5O28NaVO3+2Fe2O3+4CO2 ③ Fe3+、Cu2+ VO转化为VO ④ 温度超过80℃以后，NH3·H2O受热分解加剧，NH3从溶液溶液中逸出，使溶液中NH浓度下降，沉钒率下降(或温度升高，NH4VO3的溶解度增大，沉钒率下降) ⑤ 10Al+3V2O55Al2O3+6V
【解析】
(1)①反应中V2+发生氧化反应，则电极B应是电源的负极，电极A为正极，VO中V元素化合价降低，被还原生成VO2+，所以总反应为V2++ VO+2H+=V3++VO2++H2O；
②左侧为正极，储能时为电解池，由于放电时VO转化为VO2+，则充电时VO2+转化为VO，完成储能时V元素主要以VO形式存在，由表中信息可知正极溶液的颜色是黄色；
(2)①碱浸可除去氧化铝，应用强碱，如NaOH等，故答案为：a；
②根据题目所给信息可知FeO•V2O3与碳酸钠在空气中焙烧生成NaVO3，氧化铁和二氧化碳，则氧气为氧化剂，反应的化学方程式为：4FeO·V2O3+4Na2CO3+5O28NaVO3+2Fe2O3+4CO2；
③根据上面的分析可知，溶液1到溶液2的过程中，调节pH值至8有两个目的，一是除去铁离子、铜离子，二是使VO+H2O⇌VO+2H+的平衡正向移动，VO转化为VO；
④NH4VO3的析出与溶液中NH和VO的浓度有关，而铵根在水溶液中存在水解，升温促进水解，温度超过80℃以后，NH3·H2O受热分解加剧，NH3从溶液溶液中逸出，使溶液中NH浓度下降，沉钒率下降(或温度升高，NH4VO3的溶解度增大，沉钒率下降)；
(5)工业上常用铝热反应法由V2O5冶炼金属钒，根据电子守恒和元素守恒可得反应的化学方程式为10Al+3V2O55Al2O3+6V。
4．(2021届肇庆高三二模)为解决国家“973计划”中钒、铬资源的利用问题，2013年6月攀钢成立“钒铬渣分离提取钒铬技术研究”课题组，2020年5月课题组公布了提取钒铬的工艺流程：
已知：
①钒铬渣中含有，及等；
②时，的溶度积常数为；。
回答下列问题：
(1)“氧化焙烧”时，钒铬渣中化合价发生变化的元素为铬及______(用元素名称表示)。
(2)为加快“水浸”速率，可采取的措施为______(写出一种即可)。
(3)“除杂”产生的滤渣2的成分是______(用化学式表示)。
(4)写出“煅烧”时反应的化学方程式______(已知“沉钒”时析出正五价钒的含氧酸铵盐)。
(5)“还原”溶液中的时发生反应的离子方程式为______，已知双氧水还原的效率与温度的关系如图，分析时，双氧水还原效率最高的原因______。
(6)“沉铬”过程中，含铬元素的离子刚好完全沉淀时，溶液的pH=______(已知溶液中离子浓度时认为已完全沉淀)。
【答案】(1)钒、铁 (2) 提高水浸温度、不停搅拌等 (3) (4) (5) 低于，还原的反应速率随温度升高而增加；超过，双氧水分解，浓度降低，导致还原的反应速率降低 (6) 5.6
【解析】
(1)由分析可知，“氧化焙烧”时，化合价有变化的元素是钒、铬、铁，故答案为：铬和铁；
(2)“水浸”需要加热，加快可溶于水的物质的溶解速率，故答案为：提高水浸温度、不停搅拌等；
(3)由分析可知，水浸液中存在，与硫酸反应生成的滤渣为，故答案为：；
(4)由分析可知，正五价钒的含氧酸铵盐为，“煅烧”时反应的化学方程式为，故答案为：；
(5)由分析可知，“还原”溶液中的时发生反应的离子方程式为；低于，还原的反应速率随温度升高而增加；超过，双氧水分解，浓度降低，导致还原的反应速率降低，故答案为：；低于，还原的反应速率随温度升高而增加；超过，双氧水分解，浓度降低，导致还原的反应速率降低；
(6)由得，，此时溶液的，则，故答案为：5.6。
【五氧化二钒】化学式V2O5。黄色正交晶体。微溶于水，能溶于酸或碱溶液。在有机合成和硫酸工业上用它做催化剂。灼烧钒酸铵制得。
离子种类
VO2+
VO2+
V3+
V2+
颜色
黄色
蓝色
绿色
紫色
金属离子
Cu2+
Fe2+
Fe3+
开始沉淀pH
5.2
7.6
2.7
完全沉淀pH
6.4
9.6
3.7