Question

【題目】金屬釩(V)及其化合物有著廣泛的用途。請(qǐng)回答下列問題：

(1)釩在溶液中的主要聚合狀態(tài)與溶液的pH關(guān)系如圖1所示。V2O74-中V元素的化合價(jià)是________，溶液中VO3-轉(zhuǎn)化為V2O74-的離子方程式為________。

(2)偏釩酸銨是最普通的釩酸鹽，將V2O5溶于碳酸鈉溶液中（有氣體生成），然后加入氯化銨，便可析出偏釩酸銨(NH4VO3)，該過程總反應(yīng)的化學(xué)方程式為________；當(dāng)pH超過8.0時(shí)偏釩酸銨會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，其原因是溶液中的VO3-轉(zhuǎn)化為V2O74-、________(請(qǐng)另寫出一點(diǎn)原因)。

(3)NH4VO3在高溫下分解產(chǎn)生的V2O5可作為硫酸工業(yè)中2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=pkJ/mol反應(yīng)的催化劑，其催化原理如圖2所示。

①過程a和過程b的熱化學(xué)方程式為

V2O5(s)+SO2(g)=V2O4(s)+SO3(g) ΔH=qkJ/mol

V2O4(s)+O2(g)+2SO2(g)=2VOSO4(s) ΔH=rkJ/mol

則過程c的熱化學(xué)方程式為_________。

②T℃時(shí)反應(yīng)2SO3(g)2SO2(g)+O2(g) ΔH>0中SO3的轉(zhuǎn)化率(α)與體系總壓強(qiáng)(p)的關(guān)系如圖3所示。T℃時(shí)，將2molSO3置于10L密閉容器中，反應(yīng)達(dá)到平衡后，體系總壓強(qiáng)為0.10MPa。則T℃時(shí)B點(diǎn)的化學(xué)平衡常數(shù)Kc=_________。

(4)全釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)離子對(duì)的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置，其原理如圖4所示。

①充電過程中，右槽溶液顏色逐漸由________色變?yōu)?/span>________色；

②充電時(shí)若轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為NA個(gè)，則左槽溶液中n(H+)的變化量為______。

Answer 1

【答案】+5 2VO3-+2OH-=V2O74-+H2O V2O5+Na2CO3+2NH4Cl=2NH4VO3+2NaCl+CO2↑ pH過大，溶液中的NH4+會(huì)轉(zhuǎn)化為NH3·H2O 2VOSO4(s)=V2O5(s)+SO3(g)+SO2(g) △H=(p-q-r)kJ/mol 0.00125 綠 紫 1mol

【解析】

(1)根據(jù)化合物中元素化合價(jià)代數(shù)和等于0分析判斷，根據(jù)圖示，在堿性溶液中VO3-轉(zhuǎn)化為V2O74-；

(2)V2O5、Na2CO3、NH4Cl混合發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生NH4VO3、CO2氣體及NaCl，據(jù)此書寫反應(yīng)方程式；根據(jù)NH4+與OH-不能大量共存分析；

(3)①根據(jù)蓋斯定律，將已知的熱化學(xué)方程式疊加，可得待求反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；

②SO3的平衡轉(zhuǎn)化率為20%，則反應(yīng)的三氧化硫?yàn)?/span>0.4mol，根據(jù)三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量濃度，根據(jù)平衡壓強(qiáng)，結(jié)合氣體的物質(zhì)的量、計(jì)算平衡濃度，帶入平衡常數(shù)表達(dá)式K=計(jì)算平衡常數(shù)；

(4)充電時(shí)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)不同價(jià)態(tài)離子的顏色判斷；

(1)O元素化合價(jià)為-2價(jià)，則在V2O74-中V元素的化合價(jià)是(2×7-4)÷2=+5價(jià)；根據(jù)圖示，在堿性溶液中VO3-轉(zhuǎn)化為V2O74-，轉(zhuǎn)化的離子方程式是2VO3-+2OH-=V2O74-+H2O；

(2)V2O5、Na2CO3、NH4Cl混合發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生NH4VO3、CO2及NaCl，反應(yīng)方程式為：V2O5+Na2CO3+2NH4Cl=2NH4VO3+2NaCl+CO2↑；根據(jù)圖示可知：當(dāng)溶液pH在8～10時(shí)， VO3-轉(zhuǎn)化為V2O74-，同時(shí)溶液中的NH4+與OH-會(huì)發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為弱電解質(zhì)NH3·H2O；

(3)①(i)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H=pkJ/mol

(ii)V2O5(s)+SO2(g)=V2O4(s)+SO3(g) ΔH=qkJ/mol

(iii)V2O4(s)+O2(g)+2SO2(g)=2VOSO4(s) ΔH=rkJ/mol

根據(jù)蓋斯定律，①-②-③得過程iii的反應(yīng)為：2VOSO4(s)=V2O5(s)+SO3(g)+SO2(g)，△H=(p-q-r)kJ/mol；

②T℃時(shí)，將2molSO3置于10L密閉容器中，反應(yīng)開始時(shí)，c(SO3)=2mol÷10L=0.2mol/L，反應(yīng)達(dá)到平衡后，體系總壓強(qiáng)為0.10MPa，此時(shí)SO3的平衡轉(zhuǎn)化率為20%，則反應(yīng)的三氧化硫的物質(zhì)的量n(SO3)=2mol×20%=0.4mol，容器體積為10L，則△c(SO3)=0.4mol÷10L=0.04mol/L，平衡時(shí)c(SO3)=0.2mol/L-0.04mol/L=0.16mol/L，c(SO2)=0.04mol/L，c(O2)=0.02mol/L，則該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=mol/L=0.00125mol/L

(4)①在充電時(shí)，右側(cè)陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，V3+獲得電子變?yōu)?/span>V2+，右側(cè)會(huì)看到溶液由綠色變?yōu)樽仙��?/span>

②充電時(shí)右側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)：V3++e-=V2+，每轉(zhuǎn)移1mol電子，右側(cè)正電荷數(shù)目減少NA個(gè)，所以轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為NA個(gè)，溶液中H+會(huì)通過質(zhì)子交換膜由左側(cè)進(jìn)入右側(cè)，則左槽n(H+)的變化量為1mol。