Question

【題目】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VO43-(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）已知：4Al(s)+3O2(g)=2Al2O3(s) △H1 4V(s)+5O2(g)=2V2O5(s) △H2

寫出V2O5與Al 反應(yīng)制備金屬釩的熱化學(xué)方程式__________________。（反應(yīng)熱用△H1、△H2表示）

（2） V2O5具有強(qiáng)氧化性，溶于濃鹽酸可以得到藍(lán)色溶液(含有VO2+)，試寫出V2O5與濃鹽酸

反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式：_________________________________。

（3）VO43-和V2O74-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(VO43-)隨c(H+)的變化如圖所示。溶液中c(H+)增大，VO43-的平衡轉(zhuǎn)化率_________(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________。

（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放電過程中，A電極的反應(yīng)式為___________________。

②充電過程中，B電極附近溶液顏色變化為___________________。

③若該電池放電時(shí)的電流強(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，電解精煉銅得到銅mg，則電流利用率為______________(寫出表達(dá)式，不必計(jì)算出結(jié)果。已知：電量Q=It，t為時(shí)間/秒；電解時(shí)Q=znF，z為每摩爾物質(zhì)得失電子摩爾數(shù)，n為物質(zhì)的量，法拉弟常數(shù)F=96500C/mol，電流利用效率=×100%)

Answer 1

【答案】 10Al(s)+3V2O3(s)=5Al2O3(s)+6V(s) △H=1/2(5△H1-3△H2) V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2↑+3H2O 增大 0.4 VO2++2H++e-=VO2++H2O 溶液由綠色變?yōu)樽仙?/span>

【解析】(1)①4Al(s)+3O2(g)=2Al2O3(s)△H1，②4V(s)+5O2(g)=2V2O5(s)△H2，蓋斯定律計(jì)算(①×5-②×3)×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= ×(5△H1-3△H2)，故答案為：10Al(s)+3V2O3(s)=5Al2O3(s)+6V(s)△H=×(5△H1-3△H2)

(2)V2O5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)VO43-和V2O74-在pH≥13的溶液中可相互轉(zhuǎn)化，室溫下，1.0molL-1的Na3VO4溶液中c(VO43-)隨c(H+)的變化，根據(jù)圖像，氫離子濃度越大，VO43-越少，溶液中Na3VO4轉(zhuǎn)化為Na4V2O7的離子方程式2VO43-+H2OV2O74-+2OH-，由圖可知，溶液中c(H+)增大，VO43-的濃度減小，說明VO43-的平衡轉(zhuǎn)化率增大，A點(diǎn)VO43-的濃度為0.2mol/L，消耗濃度1mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L，生成的Cr2O72-的濃度為0.4mol/L，此時(shí)c(H+)=5×10-14 mol/L，則c(OH-)=0.2 mol/L，K==0.4，故答案為：增大；0.4；

(4)①放電過程中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�；故答案為：溶液由綠色變?yōu)樽仙��?/span>

③電解精煉銅得到銅mg時(shí)，即銅的物質(zhì)的量為mol，所以電解消耗的電量Q=2×mol×96500C/mol，根據(jù)放電的電流強(qiáng)度I=2.0A=2.0C/s，電池工作10分鐘，可計(jì)算得電池的輸出電量Q=It=2.0 C/s ×10min×60s/min，所以電流利用效率＝×100%=×100%，故答案為： ×100%。