Question

1．全钒液流电池（简称钒电池）是一种新型酸性硫酸盐电池．回答下列问题：
I．钒电池原理如图1所示：
（1）当放电时右槽溶液颜色逐渐由紫变绿，电极b为负极．电极a反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O．
（2）充电过程中，若转移0.5mol电子，质子交换膜左侧电解液中n（H⁺）的变化量为0.5mol．
II．钒电池失效后，废电解液的回收利用的一种工艺如图：

已知：①+5价钒在溶液中存在如下平衡：VO₂⁺+H₂O?VO₃^-+2H⁺．
②部分含钒物质在水中的溶解性见下表：

物质	VOSO4	NH4VO3	（VO2）2SO4
溶解性	可溶	难溶	易溶

（3）氧化工序中，其它价态的钒全部氧化成VO₂⁺，完成V²⁺氧化的离子方程式：
2V²⁺+ClO₃^-+H₂O=2VO₂⁺+Cl^-+2H⁺
（4）氧化工序中，NaClO与NaClO₃均可用作氧化剂，不选择NaClO的理由是NaClO易变质
（5）浓缩工序中，加入NaOH的作用是使VO₂⁺+H₂O?VO₃^-+2H⁺平衡正向进行
（6）沉钒工序的化学方程式为2NaVO₃+（NH₄）₂SO₄=2NH₄VO₃↓+Na₂SO₄
（7）煅烧偏钒酸铵时，固体质量随温度变化的曲线如图2所示．加热到100℃～200℃时，产生的一种气体是NH₃（填分子式）；加热到400℃时，得到的固体产物是五氧化二钒（填名称）．

Answer 1

分析 I．（1）左槽溶液逐渐由黄变蓝，VO₂⁺转变为VO²⁺，发生还原反应，应为原电池的正极，右槽溶液颜色逐渐由紫变绿V²⁺转变为V³⁺，发生氧化反应为原电池负极；
（2）充电时，左槽发生的反应为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺当转移电子为0.5 mol电子时，生成氢离子为1mol，同时有0.5mol氢离子向右侧移动；
II．（3）氧化工序中，其它价态的钒全部氧化成VO₂⁺，氯酸根离子被还原为氯离子，结合元素化合价变化和电子守恒、电荷守恒、原子守恒配平书写；
（4）次氯酸钠易变质；
（5）浓缩工序中，加入NaOH的作用是使平衡正向进行，VO₂⁺+H₂O?VO₃^-+2H⁺；
（6）沉钒工序的化学反应为NaVO₃和硫酸铵反应生成NH₄VO₃沉淀；
（7）煅烧偏钒酸铵时，固体质量随温度变化的曲线如图2所示．加热到100℃～200℃时，质量减少2.34g-2.00g=0.34g，偏钒酸铵NH₄VO₃ 物质的量=$\frac{2.34g}{117g/mol}$=0.02mol，生成气体为氨气0.02mol，加热到400℃时固体剩余1.820g，固体质量减少2.00g-1.820g=0.18g，NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+HVO₃，2HVO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+V₂O₅，结合反应蒸馏变化分析

解答 解：I．（1）右槽溶液颜色逐渐由紫变绿V²⁺转变为V³⁺，发生氧化反应为原电池负极，b为负极，当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，说明此时为原电池，且a为原电池的正极，
故答案为：负；VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O；
（2）放电过程中，电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氢离子的作用是充电时，参与正极反应，通过交换膜定向移动使溶液成电中性；左槽发生的反应为VO²⁺+H₂O=VO₂⁺+2H⁺+e^-，当转移电子为0.5 mol电子时，生成氢离子为1mol，同时有0.5mol氢离子向右侧移动，则左侧氢离子变化量是0.5mol，
故答案为：0.5mol；
II．（3）氧化工序中，其它价态的钒全部氧化成VO₂⁺，氯酸根离子被还原为氯离子，钒元素化合价+2价变化为+5价，电子转移3e^-，氯酸根离子中氯元素化合价+5价变化为-1价，电子转移6e^-，结合电子守恒和原子守恒，2V²⁺+ClO₃^-+H₂O=VO₂⁺+Cl^-+2H⁺，
故答案为：2、H₂O，2、2H⁺；
（4）氧化工序中，NaClO与NaClO₃均可用作氧化剂，不选择NaClO的理由是NaClO易变质，
故答案为：NaClO易变质；
（5）+5价钒在溶液中存在如下平衡：VO₂⁺+H₂O?VO₃^-+2H⁺，加入NaOH和氢离子反应促进平衡正向进行，
故答案为：使VO₂⁺+H₂O?VO₃^-+2H⁺平衡正向进行；
（6）由已知NH₄VO₃难溶于水，沉钒工序中向NaVO3溶液中加入硫酸铵生成NH₄VO₃ 沉淀和硫酸钠，反应的化学方程式为：2NaVO₃+（NH₄）₂SO₄=2NH₄VO₃↓+Na₂SO₄，
故答案为：2NaVO₃+（NH₄）₂SO₄=2NH₄VO₃↓+Na₂SO₄；
（7）空气中煅烧偏钒酸铵发生反应为：
NH₄VO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+HVO₃，
117               17           100
2HVO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+V₂O₅，
200             36          182
结合图象质量变化可知加热到100℃～200℃时，产生的一种气体是NH₃，加热到400℃时，得到的固体产物是五氧化二钒，
故答案为：NH₃；五氧化二钒；

点评 本题考查了物质分离提纯、原电池和电解池原理、图象变化特征分析计算、物质性质等，掌握基础是解题关键，题目难度中等．