Question

【題目】金屬釩(V)及其化合物有著廣泛的用途。請回答下列問題：

(1)釩在溶液中的主要聚合狀態與溶液的pH關系如圖1所示。V2O74-中V元素的化合價是________，溶液中VO3-轉化為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)，該過程總反應的化學方程式為________；當pH超過8.0時偏釩酸銨會發生轉化，其原因是溶液中的VO3-轉化為V2O74-、________(請另寫出一點原因)。

(3)NH4VO3在高溫下分解產生的V2O5可作為硫酸工業中2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=pkJ/mol反應的催化劑，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的熱化學方程式為_________。

②T℃時反應2SO3(g)2SO2(g)+O2(g) ΔH>0中SO3的轉化率(α)與體系總壓強(p)的關系如圖3所示。T℃時，將2molSO3置于10L密閉容器中，反應達到平衡后，體系總壓強為0.10MPa。則T℃時B點的化學平衡常數Kc=_________。

(4)全釩液流儲能電池是利用不同價態離子對的氧化還原反應來實現化學能和電能相互轉化的裝置，其原理如圖4所示。

①充電過程中，右槽溶液顏色逐漸由________色變為________色；

②充電時若轉移的電子數為NA個，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+會轉化為NH3·H2O 2VOSO4(s)=V2O5(s)+SO3(g)+SO2(g) △H=(p-q-r)kJ/mol 0.00125 綠 紫 1mol

【解析】

(1)根據化合物中元素化合價代數和等于0分析判斷，根據圖示，在堿性溶液中VO3-轉化為V2O74-；

(2)V2O5、Na2CO3、NH4Cl混合發生反應產生NH4VO3、CO2氣體及NaCl，據此書寫反應方程式；根據NH4+與OH-不能大量共存分析；

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

②SO3的平衡轉化率為20%，則反應的三氧化硫為0.4mol，根據三段式計算平衡時各組分物質的量濃度，根據平衡壓強，結合氣體的物質的量、計算平衡濃度，帶入平衡常數表達式K=計算平衡常數；

(4)充電時陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，根據不同價態離子的顏色判斷；

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

(2)V2O5、Na2CO3、NH4Cl混合發生反應產生NH4VO3、CO2及NaCl，反應方程式為：V2O5+Na2CO3+2NH4Cl=2NH4VO3+2NaCl+CO2↑；根據圖示可知：當溶液pH在8～10時， VO3-轉化為V2O74-，同時溶液中的NH4+與OH-會發生反應，轉化為弱電解質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

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

②T℃時，將2molSO3置于10L密閉容器中，反應開始時，c(SO3)=2mol÷10L=0.2mol/L，反應達到平衡后，體系總壓強為0.10MPa，此時SO3的平衡轉化率為20%，則反應的三氧化硫的物質的量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，則該反應的化學平衡常數K=mol/L=0.00125mol/L

(4)①在充電時，右側陰極上發生還原反應，V3+獲得電子變為V2+，右側會看到溶液由綠色變為紫色；

②充電時右側發生還原反應：V3++e-=V2+，每轉移1mol電子，右側正電荷數目減少NA個，所以轉移的電子數為NA個，溶液中H+會通過質子交換膜由左側進入右側，則左槽n(H+)的變化量為1mol。