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微专题18 金属及其化合物制备流程（V）
钒:元素符号V，原子序数23，原子量50.94，外围电子排布3d34s2，位于第四周期VB族。
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KSO 、VO、VO、SiO、
2 4 2 5 2 4 2
Fe O、Al O 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
2 3 2 3
如下：
已知：①“酸浸”时VO 和VO 先与稀硫酸反应分别生成 和VO2+。
2 5 2 4
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： +H O +2H+
2(1)“酸浸”时，FeSO 参与反应的化学方程式为___________。
4
(2)“萃取”和“反萃取”时，将发生R (SO )(水层)+2nHA(有机层) 2RA(有机层)
2 4 n n
+nH SO (水层)(R表示VO2+，HA表示有机萃取剂)，“反萃取”加入试剂___________。
2 4
(填化学式)假设“滤液2”中c(VO2+)=amol·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+)=___________mol·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(NH VO 沉淀中V的质量和废
4 3
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) (VO )SO +2FeSO+2H SO =2VOSO +Fe (SO )+2H O (2) H SO 10-4a
2 2 4 4 2 4 4 2 4 3 2 2 4
(3)3H O+ +6VO2+=6 +Cl-+6H+ (4) 使 +H O 2 +2H+正向移动，
2 2
将 转化为 ，同时增大 浓度，使NH VO (s) (aq)+ (aq)逆
4 3向移动使NH VO 尽可能沉淀析出 原因1：温度升高，NH VO 溶解度增大，沉钒率
4 3 4 3
下降；原因2：温度升高，氨水、NH Cl受热分解逸出溶液，使 浓度下降，沉钒率
4
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， +H O
2
+2H+，该平衡逆移，导致 浓度下降，沉钒率下降；原因4：平衡 +H O
2
+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)、NH 和HO
3 2
【解析】
(1)由上分析可知，“酸浸”时，FeSO 与(VO )SO 发生氧化还原反应，生成VOSO 和
4 2 2 4 4
Fe (SO )，化学方程式为(VO )SO +2FeSO+2H SO =2VOSO +Fe (SO )+2H O；答案为
2 4 3 2 2 4 4 2 4 4 2 4 3 2
(VO )SO +2FeSO+2H SO =2VOSO +Fe (SO )+2H O。
2 2 4 4 2 4 4 2 4 3 2
(2)由R (SO )(水层)+2nHA(有机层) 2RA(有机层)+nH SO (水层)(R表示VO2+，HA
2 4 n n 2 4
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HSO ；假设“滤液2”中c(VO2+)=amol·L—1，“萃取”和“反萃取”每进行一
2 4
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×l0-4mol·L-1=10-4a mol·L-1；答案为HSO ，10-
2 4
4a。
(3)氧化过程是KClO 将VO2+氧化为 ， 中氯元素得电子被还原为Cl-，其离子方
3
程式为3HO+ +6VO2+=6 +Cl-+6H+；答案为3HO+ +6VO2+=6 +Cl-
2 2
+6H+。
(4) 溶液中存在平衡 +H O +2H+，通入氨气，使溶液中OH-浓度增大，消
2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
NH VO (s) (aq)+ (aq)，通入氨气，使溶液中 浓度增大，该平衡逆
4 3
移，从而使NH VO 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
4 3
因1：温度升高，NH VO 溶解度增大，沉钒率下降；原因2：温度升高，氨水、NH Cl受
4 3 4
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， +H O +2H+，该平衡逆移，导致 浓度下
2
降，沉钒率下降；原因4：平衡 +H O +2H+，正反应可能是放热反应，
2
温度升高，该平衡逆移，导致 浓度下降，沉钒率下降；答案为使 +H O 2
2
+2H+正向移动，将 转化为 ，同时增大 浓度，使NH VO (s)
4 3
(aq)+ (aq)逆向移动使NH VO 尽可能沉淀析出；原因1：温度升高，NH VO 溶
4 3 4 3
解度增大，沉钒率下降；原因2：温度升高，氨水、NH Cl受热分解逸出溶液，使
4
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，
+H O +2H+，该平衡逆移，导致 浓度下降，沉钒率下降；原因4：
2
平衡 +H O +2H+，正反应可能是放热反应，温度升高，该平衡逆移，导
2
致 浓度下降，沉钒率下降。(5) 钒酸铵加热分解生成VO、氨气和水，即2NH VO VO+2NH↑+H O，NH 和HO
2 5 4 3 2 5 3 2 3 2
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)、NH 和HO。
3 2
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 mol/L， =2a×0.1=0.2a mol，又 ，
故 =0.1a mol， =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：
离子种类 VO + VO2+ V3+ V2+
2
颜色 黄色 蓝色 绿色 紫色
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·V O，还有少量Al O、CuO等杂质)提取金属钒，流程如图：
2 3 2 3
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 +H
2
O⇌VO +2H+。
Ⅱ. 部分金属离子的沉淀pH：
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
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·V O 转化为可溶性NaVO ，其中铁元素全部转化为+3价的氧化物，
2 3 3
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NH VO 的形式沉淀出来。图中横坐标表示反应温度，纵坐标表示沉
4 3
钒率(沉钒率是指NH VO 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
4 3
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VO 冶炼金属钒，请写出反应的化学方程式___________。
2 5
【答案】(1) ①V2++ VO +2H+=V3++VO2++H O ② 黄色 (2) ① a
2
②4FeO·V O+4Na CO+5O 8NaVO +2Fe O+4CO ③ Fe3+、Cu2+ VO 转化为
2 3 2 3 2 3 2 3 2
VO ④ 温度超过80℃以后，NH ·H O受热分解加剧，NH 从溶液溶液中逸出，使溶液
3 2 3
中NH 浓度下降，沉钒率下降(或温度升高，NH VO 的溶解度增大，沉钒率下降) ⑤
4 310Al+3V O 5Al O+6V
2 5 2 3
【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++H O；
2
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•VO 与碳酸钠在空气中焙烧生成NaVO ，氧化铁和二氧化
2 3 3
碳，则氧气为氧化剂，反应的化学方程式为：4FeO·V O+4Na CO+5O
2 3 2 3 2
8NaVO +2Fe O+4CO ；
3 2 3 2
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 +H
2
O⇌VO +2H+的平衡正向移动，VO 转化为VO ；
④NH VO 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
4 3
促进水解，温度超过80℃以后，NH ·H O受热分解加剧，NH 从溶液溶液中逸出，使溶
3 2 3
液中NH 浓度下降，沉钒率下降(或温度升高，NH VO 的溶解度增大，沉钒率下降)；
4 3
(5)工业上常用铝热反应法由VO 冶炼金属钒，根据电子守恒和元素守恒可得反应的化学
2 5方程式为10Al+3V O 5Al O+6V。
2 5 2 3
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VO。黄色正交晶体。微溶于水，能溶于酸或碱溶液。在有机合
2 5
成和硫酸工业上用它做催化剂。灼烧钒酸铵制得。
