文档文本内容
3-7 钒
1．钒单质
钒(V)的熔点、沸点高，有较大的熔化热和汽化热，纯金属的延展性好，但金属中含O、H 和C 等杂
质时，弹性减弱，硬度增大。钒仅溶于热的硝酸、热的浓硫酸和王水中。
2．V2O5
V2O5微溶于水 ，形成淡黄色酸性溶液，可与碱反应：
V 2O5+6 NaOH =2 N a3V O4+3 H 2O
在 pH<1 的酸性溶液中 ：
V 2O5+2 H
+=2V O2
++ H 2O
V2O5具有强氧化性：
V 2O5+6 HCl =2VOC l2+C l2↑+3 H 2O
3．钒酸盐和多钒酸盐
水溶液中不存在简单的 V5+，而以钒氧基(在H⁺条件下为
)或含氧酸根离子(在OH⁻条件下为
V O3
-、V O4
3-、V 2O7
4 -、V 3O9
3-等)等形式存在。
【典例1】
【审题要点】
1．（2027·全国·一模）稀有金属钒和钛在钢铁、化工、航空航
天等领域应用广泛。一种利用钒钛磁铁矿精矿(主要成分为
、
、
和
)综合提取钒、钛，并同步
制备黄铵铁矾的工艺流程如下图所示：
原料成分：精矿含 Fe₃O₄、FeV₂O₄、
FeTiO₃、SiO₂。需注意各元素的存在形
式及化合价。
已知信息：
加压焙烧时发生反应：4FeTiO₃ +
4NaCl + O₂ → 4NaTiO₃ + 2Fe₂O₃ +
已知：①“加压焙烧”过程中存在反应
，生成的
会对钒钛磁铁矿
精矿“二次氯化”；
②“酸浸”所得溶液中钒、钛以
、
形式存在。
回答下列问题：
（1）已知
中
为
价，则
的化合价为_______。
（2）“加压焙烧”中
经“二次氯化”转化为
和
的化学方程式为_______。
（3）“酸浸”时，产生的“浸出渣”的主要成分为_______(填
化学式)。
（4）已知
，“沉钛”时，为使
沉淀完全(
)，需要调节溶液的
不低
于_______；该过程中，加入适量铁粉的目的为_______。
（5）“氧化”时，
的使用量远大于理论计算量，可能的
原因为_______。
（6）“萃取”时，
先转化为
，再与萃取剂
结合，其过程可表示为
，据此分析“反萃取”过程
中加入
溶液的作用为_______。
（7）“沉铁”时，生成黄铵铁矾的离子方程式为_______。
【答案】（1）
（2）
2Cl₂，生成的 Cl₂ 用于“二次氯
化”。
酸浸后溶液中钒以 VO²⁺、钛以
TiO²⁺ 形式存在。
流程步骤：
加压焙烧（加 NaCl、O₂）→ 酸
浸 → 浸出渣（SiO₂）→ 沉钛
（加铁粉）→ 氧化（H₂O₂）→
萃取（R₃N ）→ 反萃取
（Na₂CO₃ ）→ 沉铁（加
(NH₄)₂SO₄）得黄铵铁矾。
问题类型：
化合价计算、化学方程式配平、
沉淀成分判断、Ksp 计算 pH、试
剂过量原因、萃取平衡移动、离
子方程式书写。
【思路分析】
化合价计算：FeV₂O₄ 中 Fe 为 +2，O
为 -2，设 V 为 x，则 2 + 2x - 8 = 0 →
x = +3。
二次氯化方程式：FeV₂O₄ 与 Cl₂ 反应
生成 VCl₄ 和 FeCl₃。需根据化合价变
化（Fe 升 1，V 升 1，总升 3）确定
电子转移，再结合原子守恒配平。注意
氧元素可能以 O₂ 形式放出，需合理配
平。典型配平：2FeV₂O₄ + 6Cl₂ = 2FeCl₃
+ 4VCl₄ + 4O₂？但氯原子不平衡，实际
可能需考虑其他产物，教学中强调方法
即可。
酸浸渣：SiO₂ 不溶于酸，故为 SiO₂。
沉钛 pH 计算：Ksp[TiO(OH)₂] =
1.0×10⁻²⁹，沉淀完全时 c(TiO²⁺) ≤ 10⁻⁵
mol/L，由 Ksp = c(TiO²⁺)·c²(OH⁻) 得
c(OH⁻) = √(Ksp/10⁻⁵) = 10⁻¹² mol/L，pH
= 2。加入铁粉的目的是调节 pH（消耗
H⁺），使 TiO²⁺ 沉淀完全。
H₂O₂ 过量原因：H₂O₂ 氧化 Fe²⁺ 为
（3）
（4） 2.0 调节溶液
使
沉淀完全
（5）产生的
催化
的分解
（6）消耗
，使萃取反应的平衡逆向移动，将
与萃
取剂分离
（7）
【解析】钒钛磁铁矿精矿(主要成分为
、
、
和
)“加压焙烧”过程中存在反应
，生成的氯气会对钒钛磁铁
矿精矿“二次氯化”，
经“二次氯化”转化为
、
，加入盐酸进行酸浸，
转化为
，
转化为
，滤渣含
，加适量铁粉沉钛，调
节溶液pH 使
完全生成
沉淀，加入
将
+2 价亚铁离子氧化成+3 价铁离子，加入有机萃取剂R3N，
先转化为
，再与萃取剂R3N 结合进入有机
相，
，加酸化的
Na2SO4洗涤分液，有机相加入Na2CO3进行反萃取，经一系
列操作得V2O5，水相加入(NH4)2SO4生成黄铵铁矾，据此分
析。
（1）已知
中Fe 为+2 价，根据化合价代数和为零，则V
的化合价为+3 价；
（2）“加压焙烧”中
经“二次氯化”转化为
和
，V 由+3 价升高到+5 价，Cl 由0 价降至-1 价，根据
化合价升降守恒进行配平，化学方程式为
；
（3）据分析，“酸浸”时，产生的“浸出渣”的主要成分为
。
（4）
，得
，则
Fe³⁺，但 Fe³⁺ 催化 H₂O₂ 分解，导致实
际用量远大于理论值。
反萃取加 Na₂CO₃ 的作用：萃取平衡
VO₂⁺ + 2R₃N + H₂O ⇌ R₃NHVO₄·R₃N +
H⁺，加入 Na₂CO₃ 消耗 H⁺，使平衡逆
向移动，VO₂⁺ 返回水相，实现反萃
取。
沉铁离子方程式：生成黄铵铁矾
(NH₄)₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂ ，反应物为
Fe³⁺、NH₄⁺、SO₄²⁻ 和 OH⁻，按电荷守
恒配平：6Fe³⁺ + 2NH₄⁺ + 4SO₄²⁻ + 12OH⁻
= (NH₄)₂Fe₆(SO₄)₄(OH)₁₂。
，pH 不低于2.0；加入适量铁粉的
目的为调节溶液pH 使
沉淀完全；
（5）“氧化”时，将+2 价亚铁离子氧化成+3 价铁离子，
的使用量远大于理论计算量，可能的原因为产生的
催
化
的分解；
（6）
与
反应，消耗
，使
降低，使萃取反
应的平衡逆向移动，将
与萃取剂分离；
（7）“沉铁”时，加入
，生成黄铵铁矾的离子方
程式为
。
【典例2】
【审题要点】
2．（2026 高三·全国·专题练习）钒是重要的战略金属，广泛应
用于储能、合金等领域，从钒钛磁铁矿冶炼过程产生的钒
渣钠化焙烧的水浸液(主要成分有
、
)中回
收钒具体流程如下：
已知：钒富集渣中V 主要以
形式存在，利用
从钒富集渣中浸出
和NaOH。
（1）“沉钒”加入Ca(OH)2的目的是将
转化为Ca3V2O8沉
淀，该反应的化学方程式为___________；此步骤可分离
Na2CrO4的原因是___________。
（2）“浸出”时，Ca3V2O8与NaHCO3反应生成NaVO3、NaOH
和一种盐，该盐的化学式为___________；浸出渣1 的主要
成分为___________(填化学式)。
（3）“结晶”加入NH4HCO3，使NaVO3转化为NH4VO3沉
淀，该反应的离子方程式为___________；NH4VO3中V 的
化合价为___________。
（4）“煅烧NH4VO3生成V2O5，同时产生NH3和H2O，该反应
原料：水浸液主要含 NaVO₃ 、
Na₂CrO₄。
已知信息：
钒富集渣中 V 以 Ca₃V₂O₈ 形式
存在。
用 NaHCO₃ 从富集渣中浸出
NaVO₃ 和 NaOH。
流程步骤：
沉钒：加 Ca(OH)₂ 生成 Ca₃V₂O₈
沉淀，分离出含 Na₂CrO₄ 溶液。
浸出：Ca₃V₂O₈ 加 NaHCO₃ 得
NaVO₃ 、NaOH 和 CaCO₃ 沉
淀。
结晶：加 NH₄HCO₃ 得 NH₄VO₃
沉淀。
煅烧：NH₄VO₃ → V₂O₅ + NH₃ +
H₂O。
沉铬：含铬溶液调 pH 后加
Na₂CO₃（？）将 CrO₄²⁻ 转化为沉
淀，并给出铬微粒分布图。
问题类型：
的化学方程式为___________。
（5）“沉钒”步骤分离出含铬溶液，含铬溶液通过“沉铬”步
骤，加入
将
转化为
沉淀；不同pH 下
含铬微粒的分布系数如图所示。
调至
的过程
中，
和
浓度会发生相应变化，用离子方程式
解释原因：___________。结合图像和工业生产的经济性分
析，“沉铬”时适宜的pH 范围是___________。
【答案】（1）
2NaVO3+3Ca(OH)2=Ca3V2O8↓+2NaOH+2H2O Na2CrO4
不与Ca(OH)2反应，留在溶液中
（2） CaCO3 CaCO3
（3）
+
=NH4VO3↓ +5
（4）
（5）
7.5～8.5
【解析】钒渣钠化焙烧水浸液主要成分为
、
，
经过“沉钒”步骤，加入
后生成
沉淀，
即钒富集渣，钒富集渣用
浸出，生成
溶
液，再加入
结晶得到
，最后煅烧得
。
【解析】（1）沉钒反应中，Ca(OH)2提供Ca2+，与NaVO3中的
结合生成Ca3V2O8沉淀，化学方程式为：
2NaVO3+3Ca(OH)2=Ca3V2O8↓+2NaOH+2H2O；分离Na2CrO4
的原因是：Na2CrO4不与Ca(OH)2发生反应，仍留在溶液
化学方程式、离子方程式、分离
原因、化合价判断、平衡移动解
释、最佳 pH 选择。
【思路分析】
沉钒化学方程式：2NaVO₃ + 3Ca(OH)₂ =
Ca₃V₂O₈↓ + 2NaOH + 2H₂O。Na₂CrO₄ 不
与 Ca(OH)₂ 反应，故留在溶液中实现
分离。
浸出反应：Ca₃V₂O₈ 与 NaHCO₃ 反应
生成 NaVO₃、NaOH 和 CaCO₃。通过
元素守恒配平：Ca₃V₂O₈ + 3NaHCO₃ =
2NaVO₃ + 3CaCO₃↓ + NaOH + H₂O。
结晶离子方程式：VO₃⁻ + NH₄⁺ =
NH₄VO₃↓。NH₄VO₃ 中 V 为 +5 价
（NH₄⁺ 为 +1，O 为 -2，设 V 为 x，
则 1 + x - 6 = 0 → x = +5）。
煅烧化学方程式：2NH₄VO₃ = V₂O₅ +
2NH₃↑ + H₂O↑。
沉铬 pH 解释：铬存在平衡 2CrO₄²⁻ +
2H⁺ ⇌ Cr₂O₇²⁻ + H₂O。调 pH 升高，H⁺
减少，平衡左移，CrO₄²⁻ 浓度增大，有
利于沉淀生成。结合分布图，pH 7.5～
8.5 时 CrO₄²⁻ 占主导，且碱耗较小，
为适宜范围。
中，从而与钒的沉淀分离。
（2）Ca3V2O8与NaHCO3反应时，Ca2+与
结合生成
CaCO3(盐)，故该盐的化学式为CaCO3；发生的反应
，因
此，“浸出渣1”主要成分为
；
（3）NH4HCO3电离出的
与NaVO3电离出的
结合生成
NH4VO3沉淀，离子方程式为：
+
=NH4VO3↓；在
NH4VO3中，
为+1 价、O 为-2 价，设V 的化合价为
x，根据正负化合价代数和为0：+1+x+3×(-2)=0，解得x
=+5，故V 的化合价为+5。
（4）
在高温下分解生成
，同时释放
和
，根据元素守恒，反应方程式为
。
（5）根据题目给出的图像，
时，
占主导；
时，
占主导；
在6-7 之间时，
逐渐减少，
逐渐增加，这说明存在平衡
，当
增大时，平衡右移，
减少，
增加；对于“沉铬”步骤，需要将
转化为
沉淀，根据图像，
时，
占绝对优势，有利于沉淀完全，但
过高会增加碱的消
耗，不经济，综合分析，
在7.5-8.5 之间时是最佳范
围，此时
比例高，且无需过量碱。
1．（2025·甘肃·模拟预测）以接触法制硫酸的废催化剂(主要成分是
，含少量
)为原料回收金属化合物的工艺流程如下：
请回答下列问题：
（1）“灼烧”过程中为提高效率，可采取的措施是_______，“水浸”后，溶液中含铝化合物为
_______(填化学式)。
（2）“沉钒”发生反应的离子方程式为_______。
（3）下图中曲线I、曲线Ⅱ分别表示“沉钒”中钒的沉淀率与加铵系数
(指氯化铵与钒元素质量之
比)、温度的关系。
温度过高导致沉钒率下降的主要原因是_______。
（4）钼酸铵的化学式为
，取少量晶体，一定条件下受热分解的热重曲
线如图所示：
时，钼酸铵热分解的固体产物实验式为_______。
（5）一种铁氮化物在半导体电子器件中存在重要的应用价值，其晶胞结构如图所示，晶胞参数为
可取代晶胞中的Fe。
①晶胞中铁原子(位置Ⅱ)与氮原子的最短距离为_______pm。
②设
为阿伏加德罗常数的值，Cu 取代Ⅱ位置上Fe 后，若晶胞参数不变，则得到新晶体的密度为
_______
(用含
的代数式表示)。
【答案】（1） 将废催化剂粉碎
（2）
（3）温度过高，
水解程度增大，
挥发，
变小
（4）
（5）
【解析】废催化剂(主要成分是
，含少量
、
、
、NiO 等)在纯碱中进行焙烧得到偏
铝酸钠、偏钒酸钠、钼酸钠及不溶于水的NiO、Fe2O3，加水浸取时偏铝酸根转化为四羟基合铝酸
根，所得的溶液中通入二氧化碳可将四羟基合铝酸根转化为氢氧化铝沉淀而除去，再向溶液中加入
NH4Cl 调节适当pH 沉钒得到偏钒酸铵，最后经过离子交换过程回收Mo 元素，得到钼酸铵，据此
解答。
（1）“灼烧”过程中为提高效率，可将废催化剂粉碎，增大接触面积。
（2）“沉钒”发生反应的离子方程式为
。
（3）温度过高，
水解程度增大，生成的
挥发，
减小，故钒的沉淀率下降。
（4）设取
，则其质量为340 g，在
时，固体损失
，因为
铵盐受热易分解，结合分解前后固体质量变化可知，固体损失
与
的质量，由元
素守恒和质量守恒可知，余下固体应为2 mol
。
（5）①晶胞中铁原子（位置II）与氮原子的最短距离是体对角线的一半，为
。
②根据均摊法，该晶胞中Cu 原子个数是
原子个数是
原子个数为1，故化学式为
，
的摩尔质量为
，故其密度为
。
2．（25-26 高三上·江苏连云港·期中）以废钒催化剂（主要含有V2O5、CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等）
为原料制备V2O5的流程如下图所示：
已知：pH>9.6 时Al 元素在溶液中主要以[Al(OH)4]-形式存在。下表列出了几种离子生成氢氧化物沉淀的
pH（开始沉淀的pH 按金属离子浓度为1.0mol·L-1计算）。
金属离子
Al3+
Fe3+
Fe2+
开始沉淀的pH
3.7
2.2
7.5
沉淀完全的pH
4.7
3.8
9.5
（1）酸浸还原。将废钒催化剂粉碎后，加入H2SO4和Na2SO3浸取，过滤。
①浸取时，先向废钒催化剂中加入Na2SO3后缓慢滴加H2SO4，这样操作的主要原因是______。
②浸取后的溶液中有VO2+、
、Fe2+、Fe3+和Al3+等离子，V2O5转化为VOSO4的化学方程式为
______。
（2）除杂。向酸浸还原后所得滤液中加入氨水调节溶液的pH 至8.0，过滤得到含有VO2的滤渣。所得
滤渣中加入NaOH 溶液，再通入O2，调节溶液pH 大于13，充分反应后过滤，向滤液中加入盐酸调
节溶液的pH 至8.5 后过滤，得到NaVO3溶液和滤渣X。
①碱性条件下，VO2和O2反应生成
的离子方程式为______。
②滤渣X 的主要成分是______（填化学式）。
（3）沉钒。向所得NaVO3溶液中加入一定量NH4Cl 固体，充分反应后得到NH4VO3沉淀。沉钒率（沉
淀中钒的质量与原料中钒的总质量之比）随温度的变化如图-1 所示。
①温度高于80℃，沉钒率随温度升高而减小的可能原因有______。
②反应过程中加入一定量的醇类溶剂可以提高沉钒率，原理是______。
（4）制备V2O5。将一定质量的NH4VO3在空气中煅烧至恒重时，固体残留率随温度的变化如图-2 所
示。A 点产物可表示为aV2O5·bNH3·cH2O，则其中a：b：c 的比值为______。
【答案】（1） 减少Na2SO3与H2SO4反应生成SO2逸出，提高Na2SO3的利用率
V2O5+2H2SO4+Na2SO3=2VOSO4+Na2SO4+2H2O
（2） 4VO2+O2+4OH-=4
+2H2O Al(OH)3
（3） 温度高于80℃，NH4Cl 受热分解，使沉钒率下降；NH4VO3的溶解度增大 降低NH4VO3
的溶解度，有利于NH4VO3析出
（4）2：2：1
【解析】废钒催化剂（主要含有V2O5、CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等），经过还原酸浸，酸浸液中存在
VO2+、
、Fe2+、Fe3+和Al3+等离子，除杂除去Fe、Al 元素，再经过沉钒，得到NH4VO3沉淀，
最后煅烧得到V2O5。
（1）①Na2SO3中硫元素是+4 价，主要体现为还原性，但在酸性条件下会反应逸出为SO2，丧失还原效
果，故答案为：减少Na2SO3与H2SO4反应生成SO2逸出，提高Na2SO3的利用率；
②V2O5中V 元素的化合价为+5 价，产物VO2+中V 的化合价为+4 价，被还原，浸取液中起到还原性的
作用的还原剂为Na2SO3，结合得失电子守恒、溶液的酸碱性，元素守恒，故答案为：
V2O5+2H2SO4+Na2SO3=2VOSO4+Na2SO4+2H2O；
（2）①VO2中V 元素化合价为+4，升到产物
中的+5 价，氧的化合价从0 价降到-2 价，则根据电子
得失守恒，VO2和O2化学计量数之比为4：1，结合环境为碱性，得到离子方程式为4VO2+O2+4OH-
=4
+2H2O；
②V 元素之外，酸浸还原后所得的滤液中含有的阳离子为Fe3+和Al3+，由题干信息，pH 大于8.0 后，
Fe3+和Al3+都已经完全以沉淀形式进入滤渣，加入NaOH 后，Al(OH)3沉淀会被溶解，Fe(OH)3沉淀
不会反应。且根据已知信息，pH>9.6 时Al 元素在溶液中主要以[Al(OH)4]-形式存在，往滤液中加入
盐酸调节溶液的pH 至8.5 后，[Al(OH)4]-形式又会以Al(OH)3形式存在，故滤渣X 为Al(OH)3；
（3）①沉钒率随温度升高而减小可以从两个方面考虑，一是温度升高，一般物质的溶解度会增大；二
是反应物容易受热分解，导致产物产率下降，故答案为：温度高于80℃，NH4Cl 受热分解，使沉钒
率下降；NH4VO3的溶解度增大；
②反应过程中加入一定量的醇类溶剂，可以降低溶剂的极性，从而降低产物的溶解度，使沉钒率增大，
故答案为：降低NH4VO3的溶解度，有利于NH4VO3析出；
（4）灼烧失重的可能原因来自于水和氨气的流失，金属元素不减少。则灼烧的化学方程式为
， NH4VO3相对分子质量为117，A 点其固体残留
率为88.9%，根据N 元素守恒有：b+x=2a；根据O 元素守恒有：5a+c+y=6a；根据H 元素守恒有：
3(x+b)+2(c+y)=8a；根据A 点残留率有：
；解得a：b：c=2：2：1。故答案
为：2：2：1。
