Question

15．金屬釩被譽(yù)為“合金的維生素”，常用于催化劑和新型電池．釩（V）在溶液中主要以VO₄^3-（黃色）、VO₂⁺（淺黃色）、VO²⁺（藍(lán)色）、V³⁺（綠色）、V²⁺（紫色）等形式存在．回答下列問題：

（1）工業(yè)中利用V₂O₅制備金屬釩．
4Al（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃（s）△H₁=-2834kJ/mol
4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=-3109kJ/mol
寫出V₂O₅與A1反應(yīng)制備金屬釩的熱化學(xué)方程式10Al（s）+3V₂O₃（s）=5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=-2421.5kJ/mol．
（2）V₂O₅是一種重要的氧化物，具有以下性質(zhì)：
①V₂O₅在強(qiáng)堿性溶液中以VO₄^3-形式存在，試寫出V₂O₅溶于NaOH溶液的離子方程式：V₂O₅+6OH^-=2VO₄^3-+3H₂O．
②V₂O₅具有強(qiáng)氧化性，溶于濃鹽酸可以得到藍(lán)色溶液，試寫出V₂O₅與濃鹽酸反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式：V₂O₅+6HCl=2VOCl₂+Cl₂↑+3H₂O．
（3）VO₄^3-和V₂O₇^4-在PH≥13的溶液中可相互轉(zhuǎn)化．室溫下，1.0mol•L^-1的Na₃VO₄溶液中c（VO₄^3-）隨c（H⁺）的變化如圖1所示．
①寫出溶液中Na₃VO₄轉(zhuǎn)化為Na₄V₂O₇的離子方程式2VO₄^3-+H₂O?V₂O₇^4-+2OH^-．
②由圖可知，溶液中c（H⁺）增大，VO₄^3-的平衡轉(zhuǎn)化率增大（填“增大”“減小”或“不變”）．根據(jù)A點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算該轉(zhuǎn)化反應(yīng)的平衡常數(shù)的數(shù)值為6.4．
（4）全釩液流電池是一種優(yōu)良的新型蓄電儲(chǔ)能設(shè)備，其工作原理如圖2所示：
①放電過(guò)程中A電極的反應(yīng)式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O．
②充電過(guò)程中，B電極附近溶液顏色變化為溶液由綠色變?yōu)樽仙��?

Answer 1

分析 （1）①4Al（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃（s）△H₁=-2834kJ/mol
②4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=-3109kJ/mol
蓋斯定律計(jì)算（①×5-②×3）×$\frac{1}{2}$得到V₂O₅與A1反應(yīng)制備金屬釩的熱化學(xué)方程式；
（2）①V₂O₅在強(qiáng)堿性溶液中以VO₄^3-形式存在，V₂O₅溶于NaOH溶液反應(yīng)生成VO₄^3-和水；
②V₂O₅具有強(qiáng)氧化性，溶于濃鹽酸可以得到藍(lán)色溶液為VO²⁺，V元素化合價(jià)+5價(jià)變化為+4價(jià)，做氧化劑，氯化氫被氧化生成氯氣，結(jié)合電子守恒、原子守恒配平書寫化學(xué)方程式；
（3）①VO₄^3-和V₂O₇^4-在PH≥13的溶液中可相互轉(zhuǎn)化，結(jié)合電荷守恒書寫離子方程式；
②由圖可知，溶液中c（H⁺）增大，VO₄^3-的濃度減小平衡轉(zhuǎn)化率增大，A點(diǎn)VO₄^3-的濃度為0.2mol/L，結(jié)合三行計(jì)算列式得到平衡濃度計(jì)算平衡常數(shù)；
（4）①放電時(shí)，正極上的反應(yīng)：VO₂⁺+2H⁺+e^-═VO²⁺+H₂O，負(fù)極上發(fā)生V²⁺-2e^-=V³⁺的反應(yīng)；
②充電時(shí)，右槽B電極附近溶液顏色由紫色變?yōu)榫G色時(shí)，即V²⁺→V³⁺，發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)．

解答 解：（1）①4Al（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃（s）△H₁=-2834kJ/mol
②4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=-3109kJ/mol
蓋斯定律計(jì)算（①×5-②×3）×$\frac{1}{2}$得到V₂O₅與A1反應(yīng)制備金屬釩的熱化學(xué)方程式10Al（s）+3V₂O₃（s）=5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=-2421.5kJ/mol，
故答案為：10Al（s）+3V₂O₃（s）=5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=-2421.5kJ/mol
（2）①V₂O₅在強(qiáng)堿性溶液中以VO₄^3-形式存在，V₂O₅溶于NaOH溶液反應(yīng)生成VO₄^3-和水，反應(yīng)的離子方程式為：V₂O₅+6OH^-=2VO₄^3-+3H₂O，
故答案為：V₂O₅+6OH^-=2VO₄^3-+3H₂O；
②V₂O₅具有強(qiáng)氧化性，溶于濃鹽酸可以得到藍(lán)色溶液為VO²⁺，V元素化合價(jià)+5價(jià)變化為+4價(jià)，做氧化劑，氯化氫被氧化生成氯氣，結(jié)合電子守恒、原子守恒配平書寫化學(xué)方程式V₂O₅+6HCl=2VOCl₂+Cl₂↑+3H₂O，
故答案為：V₂O₅+6HCl=2VOCl₂+Cl₂↑+3H₂O；
（3）①VO₄^3-和V₂O₇^4-在PH≥13的溶液中可相互轉(zhuǎn)化．室溫下，1.0mol•L^-1的Na₃VO₄溶液中c（VO₄^3-）隨c（H⁺）的變化如圖1所示，氫離子濃度越大，VO₄^3-越少，溶液中Na₃VO₄轉(zhuǎn)化為Na₄V₂O₇的離子方程式2VO₄^3-+H₂O?V₂O₇^4-+2OH^-，
故答案為：2VO₄^3-+H₂O?V₂O₇^4-+2OH^-；
②由圖可知，溶液中c（H⁺）增大，VO₄^3-的濃度減小，說(shuō)明VO₄^3-的平衡轉(zhuǎn)化率增大，A點(diǎn)VO₄^3-的濃度為0.2mol/L，消耗濃度1mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L，
                              2VO₄^3-+H₂O?V₂O₇^4-+2OH^-；
起始量（mol/L）        1                     0          0
變化量（mol/L）       0.8                  0.4        0.8
平衡量（mol/L）      0.2                  0.4         0.8
K=$\frac{0．{8}^{2}×0.4}{0．{2}^{2}}$=6.4
故答案為：增大；6.4；
（4）①放電過(guò)程中A電極為原電池正極，電極的反應(yīng)式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，
故答案為：VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O；
②充電時(shí)，右槽B是電解池的陰極，該極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，即V²⁺→V³⁺，應(yīng)該是綠色變?yōu)樽仙��?br />故答案為：溶液由綠色變?yōu)樽仙��?/p>

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式、化學(xué)方程式、離子方程式書寫，原電池和電解池原理的分析應(yīng)用和電極反應(yīng)判斷、平衡常數(shù)計(jì)算等，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．