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

写出V₂O₅与Al 反应制备金属钒的热化学方程式__________________。（反应热用△H₁、△H₂表示）

（2） V₂O₅具有强氧化性，溶于浓盐酸可以得到蓝色溶液(含有VO²⁺)，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，1.0mol·L^-1的Na₃VO₄溶液中c(VO₄^3-)随c(H⁺)的变化如图所示。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2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___________________。

③若该电池放电时的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，电解精炼铜得到铜mg，则电流利用率为______________(写出表达式，不必计算出结果。已知：电量Q=It，t为时间/秒；电解时Q=znF，z为每摩尔物质得失电子摩尔数，n为物质的量，法拉弟常数F=96500C/mol，电流利用效率=×100%)

Answer

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 溶液由绿色变为紫色

【解析】(1)①4Al(s)+3O2(g)=2Al2O3(s)△H1，②4V(s)+5O2(g)=2V2O5(s)△H2，盖斯定律计算(①×5-②×3)×得到V2O5与A1反应制备金属钒的热化学方程式10Al(s)+3V2O3(s)=5Al2O3(s)+6V(s)△H= ×(5△H1-3△H2)，故答案为：10Al(s)+3V2O3(s)=5Al2O3(s)+6V(s)△H=×(5△H1-3△H2)

(2)V2O5具有强氧化性，溶于浓盐酸可以得到蓝色溶液为VO2+，V元素化合价+5价变化为+4价，做氧化剂，氯化氢被氧化生成氯气，结合电子守恒、原子守恒配平书写化学方程式V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2↑+3H2O，故答案为：V2O5+6HCl=2VOCl2+Cl2↑+3H2O；

(3)VO43-和V2O74-在pH≥13的溶液中可相互转化，室温下，1.0mol•L-1的Na3VO4溶液中c(VO43-)随c(H+)的变化，根据图像，氢离子浓度越大，VO43-越少，溶液中Na3VO4转化为Na4V2O7的离子方程式2VO43-+H2O⇌V2O74-+2OH-，由图可知，溶液中c(H+)增大，VO43-的浓度减小，说明VO43-的平衡转化率增大，A点VO43-的浓度为0.2mol/L，消耗浓度1mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L，生成的Cr2O72-的浓度为0.4mol/L，此时c(H+)=5×10-14 mol/L，则c(OH-)=0.2 mol/L，K==0.4，故答案为：增大；0.4；

(4)①放电过程中A电极为原电池正极，电极的反应式为VO2++2H++e-=VO2++H2O，故答案为：VO2++2H++e-=VO2++H2O；

②充电时，右槽B是电解池的阴极，该极上发生得电子的还原反应，即V2+→V3+，应该是绿色变为紫色；故答案为：溶液由绿色变为紫色；

③电解精炼铜得到铜mg时，即铜的物质的量为mol，所以电解消耗的电量Q=2×mol×96500C/mol，根据放电的电流强度I=2.0A=2.0C/s，电池工作10分钟，可计算得电池的输出电量Q=It=2.0 C/s ×10min×60s/min，所以电流利用效率＝×100%=×100%，故答案为： ×100%。