《2026年新高考5年真题高中化学全一册通用版广东专版》

3. [2024·河北卷，16T，14分] $ V_2 O_5$ 是制造钒铁合金、金属钒的原料，也是重要的催化剂。以苛化泥为焙烧添加剂从石煤中提取 $ V_2 O_5$ 的工艺，具有钒回收率高、副产物可回收和不产生气体污染物等优点。工艺流程如下。

已知：ⅰ石煤是一种含 $ V_2 O_3$ 的矿物，杂质为大量 $ Al_2 O_3$ 和少量 $ CaO$ 等；苛化泥的主要成分为 $ CaCO_3$、$ NaOH$、$ Na_2 CO_3$ 等。
ⅱ高温下，苛化泥的主要成分可与 $ Al_2 O_3$ 反应生成偏铝酸盐；室温下，偏钒酸钙 $[ Ca(VO)_3]_2$ 和偏铝酸钙均难溶于水。
回答下列问题：
(1) 钒原子的价层电子排布式为3d³4s²；焙烧生成的偏钒酸盐中钒的化合价为+5，产生的气体①为CO₂(填化学式)。
(2) 水浸工序得到滤渣①和滤液，滤渣①中含钒成分为偏钒酸钙，滤液中杂质的主要成分为Na[Al(OH)₄](填化学式)。
(3) 在弱碱性环境下，偏钒酸钙经盐浸生成碳酸钙，发生反应的离子方程式为$Ca(VO₃)₂ + HCO₃⁻ + OH⁻ \xlongequal{65 - 70℃} CaCO₃↓ + 2VO₃⁻ + H₂O$；$ CO_2$ 加压导入盐浸工序可提高浸出率的原因使 HCO₃⁻ 浓度增大，促进 Ca(VO₃)₂ 转化为 CaCO₃，使 VO₃⁻ 进入溶液中；浸取后低浓度的滤液①进入离子交换（填工序名称），可实现钒元素的充分利用。
(4) 洗脱工序中洗脱液的主要成分为NaCl(填化学式)。
(5) 下列不利于沉钒过程的两种操作为bd(填标号)。
a. 延长沉钒时间
b. 将溶液调至碱性
c. 搅拌
d. 降低 $ NH_4 Cl$ 溶液的浓度

答案： 3. 参考答案
(1) 3d³4s² + 5CO₂
(2) Na[Al(OH)₄]
$(3) Ca(VO₃)₂ + HCO₃⁻ + OH⁻ \xlongequal{65 - 70℃} CaCO₃↓ + 2VO₃⁻ + H₂O $使 HCO₃⁻ 浓度增大，促进 Ca(VO₃)₂ 转化为 CaCO₃，使 VO₃⁻ 进入溶液中 离子交换
(4) NaCl
(5) bd
命题意图 本题考查提取 V₂O₅ 的工艺流程，意在考查考生的分析推理能力，体现了“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养。
解题 思路
(1) V 为 23 号元素，其价层电子排布式为 3d³4s²。结合已知信息和
(2) 中信息可知，焙烧后 V 的存在形式为 Ca(VO₃)₂、NaVO₃，V 的化合价为 +5。CaCO₃ 在高温下分解，生成的气体①为 CO₂。
(2) 结合石煤和苛化泥的主要成分及已知信息知，焙烧所得产物主要为 Ca(VO₃)₂、NaVO₃、NaAlO₂、Ca(AlO₂)₂、CaO 和 CO₂ 等，其中 Ca(VO₃)₂、Ca(AlO₂)₂ 均难溶于水，水浸后得到 NaVO₃、Na[Al(OH)₄] 的混合溶液，结合该流程的目的为制备 V₂O₅ 知，滤液中的杂质主要为 Na[Al(OH)₄]。
(3) 盐浸工序中，在弱碱性环境下，Ca(VO₃)₂ 转化为 CaCO₃，结合电荷守恒、元素守恒配平可得反应的离子方程式。加压条件下通入 CO₂ 可增大溶液中 HCO₃⁻ 浓度，促进 Ca(VO₃)₂ 转化为 CaCO₃，VO₃⁻ 进入溶液进行后续操作，从而提高钒的浸出率。盐浸后滤液①中含有 VO₃⁻，但浓度较低，为提高钒的利用率，可将其加入离子交换工序。
(4) 离子交换时发生阴离子交换反应：VO₃⁻ + R—N(CH₃)₃Cl ══ R—N(CH₃)₃VO₃ + Cl⁻，根据所用树脂类型知，洗脱液中应含 Cl⁻，考虑到水浸所得溶液中含有 Na⁺，为避免引入其他杂质离子，且 NaCl 廉价易得，故洗脱液的主要成分为 NaCl，使钒元素转入溶液中：R—N(CH₃)₃VO₃ + Cl⁻ ══ R—N(CH₃)₃Cl + VO₃⁻。
(5) 将溶液调至碱性，NH₄Cl 会转变成 NH₃·H₂O，从而影响沉钒。降低 NH₄Cl 溶液的浓度，不利于生成 NH₄NO₃，也会影响沉钒。b、d 项均符合题意。