Question

5．钒的化合物常用于制作催化剂和新型电池．回答下列问题：
（1）金属钒可由铝热反应制得．已知25℃、101kPa时，
4A1（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃ （s）△H₁=a kJ•mol^-1
4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=b kJ•mol^-1
则用铝热反应冶炼金属V（s）的热化学方程式为10Al（s）+3V₂O₅（s）═5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=（2.5a-l.5b）kJ•mol^-1 ．
（2）V₂O₅为橙黄至砖红色固体，无味、有毒，微溶于水，是许多有机和无机反应的催化剂．图1表示的是25℃时，部分含钒微粒的存在形式、浓度和存在的pH范围（其余可溶性微粒均未标出），图中“[V]”表示含钒微粒的浓度，虚线表示[V]或pH的范围尚未准确确定．

①V₂O₅溶于足量2mol•L^-1NaOH溶液中，发生反应的离子方程式为V₂O₅+6OH^-═2VO₄^3-+3H₂O，向反应后的溶液中，滴加硫酸溶液至过量（pH＜1）的过程中，开始溶液保持澄淸，滴加一段时间后，观察到有橙黄色沉淀产生，继续滴加硫酸溶液，沉淀又消失．则沉淀消失过程中发生反应的化学方程式为V₂O₅+H₂SO₄═（VO₂）₂SO₄+H₂O．
②上述滴加硫酸溶液的过程中，先后发生如图2的反应：
则“X所示区域溶液中的离子”不可能是b（填序号）；
a．V₃O₉^3-b．V₄O₁₀^3-   c．V₄O₁₂^4-
（3）V₂O₅是反应2SO₂+O₂?2SO₃的催化剂．其他条件不变，加入V₂O₅后，该反应的速率加快的原因
是加入V₂O₅后，反应路径发生改变，反应的活化能降低，反应速率加快；恒温恒压下，加人V₂O₅，该反应的平衡常数不变 （填“增大”、“减小”或“不变”）；
（4）图3所示为可充电的全钒液流电池构造示意图，该电池中的隔膜只允许H⁺通过．电池放电时，负极区溶液的pH将增大（填“增大”、“减小”或“不变”），电池充电时，阳极的电极反应式为VO²⁺-e^-+H₂O═VO₂⁺+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）①4A1（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃ （s）△H₁=a kJ•mol^-1
②4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=b kJ•mol^-1
盖斯定律计算，（①×5-②×3）×$\frac{1}{2}$得到用铝热反应冶炼金属V（s）的热化学方程式；
（2）①V₂O₅溶于足量2mol•L^-1NaOH溶液中生成Na₃VO₄和水；沉淀消失过程中发生反应是V₂O₅和硫酸反应生成（VO₂）₂SO₄和H₂O；
②上述滴加硫酸溶液的过程中，先后发生如图2的反应，结合图象中微粒存在的PH分析判断；
（3）催化剂降低反应的活化能加快反应速率；平衡常数随温度变化；
（4）钒液流电池放电时负极发生氧化反应，正极发生还原反应，充电时，阳极发生氧化反应．

解答 解：（1）①4A1（s）+3O₂（g）=2Al₂O₃ （s）△H₁=a kJ•mol^-1
②4V（s）+5O₂（g）=2V₂O₅（s）△H₂=b kJ•mol^-1
盖斯定律计算，（①×5-②×3）×$\frac{1}{2}$得到用铝热反应冶炼金属V（s）的热化学方程式为：10Al（s）+3V₂O₅（s）═5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=（2.5a-l.5b）kJ•mol^-1 ，
故答案为：10Al（s）+3V₂O₅（s）═5Al₂O₃（s）+6V（s）△H=（2.5a-l.5b）kJ•mol^-1；
（2）①图可知碱性条件下，以VO₄^3-存在，V₂O₅溶于足量2mol•L^-1NaOH溶液中生成Na₃VO₄和水，反应的离子方程式为：V₂O₅+6OH^-═2VO₄^3-+3H₂O，沉淀消失过程中发生反应是V₂O₅和硫酸反应生成（VO₂）₂SO₄和H₂O，反应的化学方程式为：V₂O₅+H₂SO₄═（VO₂）₂SO₄+H₂O，
故答案为：V₂O₅+6OH^-═2VO₄^3-+3H₂O；V₂O₅+H₂SO₄═（VO₂）₂SO₄+H₂O；
②上述滴加硫酸溶液的过程中，先后发生如图2的反应：H₂VO₄^-缩水后，V的化合价不变，则“X所示区域溶液中的离子”不可能是V₄O₁₀^3-，选b，
故答案为：b；
（3）V₂O₅是反应2SO₂+O₂?2SO₃的催化剂．其他条件不变，加入V₂O₅后，该反应的速率加快的原因是：加入V₂O₅后，反应路径发生改变，反应的活化能降低，反应速率加快，平衡常数只随温度变化，恒温恒压下，加人V₂O₅，该反应的平衡常数不变，
故答案为：加入V₂O₅后，反应路径发生改变，反应的活化能降低，反应速率加快；不变；
（4）钒液流电池放电时负极发生氧化反应，据图可知，电极反应式为V²⁺-e^-=V³⁺，氢离子移向正极，正极发生还原反应，负极区溶液PH增大，充电时，阳极发生氧化反应，电极反应式为VO²⁺-e^-+H₂O=VO₂⁺+2H⁺；
故答案为：增大；VO²⁺-e^-+H₂O═VO₂⁺+2H⁺．

点评 本题考查了热化学方程式书写、图象分析判断、反应离子方程式书写、原电池和电解池原理等，主要是题干信息的分析应用，掌握基础是解题关键，题目难度中等．