Question

金属钒被誉为“合金的维生素”，常用于催化剂和新型电池。钒(V)在溶液中主要以VO₄^3-(黄色)、VO₂⁺(浅黄色)、VO²⁺(蓝色)、V³⁺(绿色)、V²⁺(紫色)等形式存在。回答下列问题：

(1)工业中利用V₂O₅制备金属钒。

4Al(s)+3O₂(g)=2Al₂O₃(s) △H₁=-2834kJ/mol 

4V(s)+5O₂(g)=2V₂O₅(s) △H₂=-3109kJ/mol

写出V₂O₅与A1反应制备金属钒的热化学方程式____________________。

(2)V₂O₅是一种重要的氧化物，具有以下性质：

①V₂O₅在强碱性溶液中以VO₄^3-形式存在，试写出V₂O₅溶于NaOH溶液的离子方程式：___________________________________________。

②V₂O₅具有强氧化性，溶于浓盐酸可以得到蓝色溶液，试写出V₂O₅与浓盐酸反应的化学反应方程式：________________________________。

(3)VO₄^3-和V₂O₇^4-在PH≥13的溶液中可相互转化。室温下，1.0 mol·L^-1的Na₃VO₄溶液中c(VO₄^3-)随c(H⁺)的变化如图所示。

①写出溶液中Na₃VO₄转化为Na₄V₂O₇的离子方程式__________________。

②由图可知，溶液中c(H⁺)增大，VO₄^3-的平衡转化率______(填“增大”“减小”或“不变”)。根据A点数据，计算该转化反应的平衡常数的数值为_____________。

(4)全钒液流电池是一种优良的新型蓄电储能设备，其工作原理如图所示：

①放电过程中A电极的反应式为__________________。

②充电过程中，B电极附近溶液颜色变化为___________________。

Answer

10Al(s)+3V2O3（s）=5Al2O3(s)+6V(s) △H=-2421.5kJ/mol V2O5+6OH-=2VO43-+3H2O V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2↑+3H2O 2VO43-+H2OV2O74-+2OH- 增大 0.4 VO2++2H++e-=VO2++H2O 溶液由绿色变为紫色

【解析】（1）①4Al(s)+3O2(g)=2Al2O3(s) △H1=-2834kJ/mol

②4V(s)+5O2(g)=2V2O5(s) △H2=-3109kJ/mol

根据盖斯定律由①×2.5-②×1.5可得反应10Al(s)+3V2O3（s）=5Al2O3(s)+6V(s) △H=2.5△H1-1.5△H2=2.5×（-2834kJ/mol）-1.5×（-3109kJ/mol）=-2421.5kJ/mol；

(2) ① V2O5溶于NaOH溶液生成VO43-，其反应的离子方程式为：V2O5+6OH-=2VO43-+3H2O；

②V2O5具有强氧化性，溶于浓盐酸将其氧化产生氯气，同时得到蓝色溶液，反应的化学反应方程式为：V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2↑+3H2O；

（3）①由图可知，在PH≥13的溶液中， VO43-结合水电离出的氢离子转化为V2O74-，离子方程式为：2VO43-+H2OV2O74-+2OH-；②由图可知，溶液中c(H+)增大，VO43-的平衡转化率增大；根据A点数据，c(VO43-)=0.2mol/L，改变的c(VO43-)=1.0mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L，则c(V2O74-)=×0.8mol/L =0.4mol/L，c(H+)=5×10-14 mol/L，c(OH-)=0.2mol/L，该转化反应的平衡常数的数值为： ==0.4mol/L；（4）①放电过程中做为原电池的正极A电极VO2+得电子产生VO2+，其反应式为：VO2++2H++e-=VO2++H2O；②充电过程中做为电解池，阴极B电极附近V3+得电子转化为V2+，溶液由绿色变为紫色。