Question

9．釩（V）及其化合物廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化、新材料和新能源等領(lǐng)域．
（1）全釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)離子對(duì)的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置，其原理如圖所示．
①若左槽溶液顏色逐漸由藍(lán)變黃，其電極反應(yīng)式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．
②放電過(guò)程中，右槽溶液顏色逐漸由紫色變?yōu)樗{(lán)色．
③放電過(guò)程中氫離子的作用是：通過(guò)交換膜定向移動(dòng)使電流通過(guò)溶液形成閉合回路和參與正極反應(yīng)；
④若充電時(shí)，左槽溶液中n（H⁺）的變化量為2mol，則反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子為2mol．
（2）將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置如圖所示（A、B為多孔碳棒）．持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷的體積為V L．

①0＜V≤44.8L時(shí)，電池總反應(yīng)方程式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②44.8L＜V≤89.6L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③V=67.2L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）①左槽溶液逐漸由藍(lán)變黃，VO²⁺轉(zhuǎn)變?yōu)閂O₂⁺，發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)為電解池的陽(yáng)極，
②放電過(guò)程中，右槽為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，由V²⁺生成V³⁺；
③放電過(guò)程中，電極反應(yīng)式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氫離子的作用是充電時(shí)，參與正極反應(yīng)，通過(guò)交換膜定向移動(dòng)使溶液成電中性；
④充電時(shí)，左槽發(fā)生的反應(yīng)為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺當(dāng)轉(zhuǎn)移電子2mol電子時(shí)，生成氫離子為2mol；
（2）①n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，則反應(yīng)生成碳酸鉀；
②根據(jù)原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反應(yīng)生成碳酸氫鉀；
③當(dāng)V=67.2L時(shí)，n（CO₂）=3mol，設(shè)碳酸鉀的物質(zhì)的量為x、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量為y，根據(jù)K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得x=1，y=2，溶液中碳酸根、碳酸氫根離子水解，溶液呈堿性，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子．

解答 解：（1）①左槽溶液逐漸由藍(lán)變黃，VO²⁺轉(zhuǎn)變?yōu)閂O₂⁺，發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)為電解池的陽(yáng)極，其電極反應(yīng)式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案為：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；
②放電過(guò)程中，右槽為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，由V²⁺生成V³⁺，溶液顏色由紫色變?yōu)樗{(lán)色，故答案為：紫；藍(lán)；
③放電過(guò)程中，電極反應(yīng)式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氫離子的作用是充電時(shí)，參與正極反應(yīng)，通過(guò)交換膜定向移動(dòng)使溶液成電中性，故答案為：參與正極反應(yīng)；
④充電時(shí)，左槽發(fā)生的反應(yīng)為VO²⁺+H₂O=VO₂⁺+2H⁺+e^-，當(dāng)轉(zhuǎn)移電子為1mol電子時(shí)，生成氫離子為2mol，此時(shí)氫離子參與向陰極移動(dòng)，通過(guò)交換膜定向移動(dòng)使電流通過(guò)溶液，溶液中離子的定向移動(dòng)可形成電流，通過(guò)1mol電子，則左槽溶液中n（H⁺）的變化量為2mol-1mol=1mol，所以槽溶液中n（H⁺）的變化量為2mol，則反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2mol，
故答案為：2mol；
（2）①n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，則反應(yīng)生成碳酸鉀，電池總反應(yīng)方程式為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②根據(jù)原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反應(yīng)生成碳酸氫鉀，負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③當(dāng)V=67.2L時(shí)，n（CO₂）=3mol，設(shè)碳酸鉀的物質(zhì)的量為x、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量為y，根據(jù)K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得x=1，y=2，溶液中碳酸根、碳酸氫根離子水解，溶液呈堿性，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子，所以溶液中離子濃度大小順序?yàn)椋篶（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及原電池、電解池以及離子濃度大小比較等，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，注意把握原電池、電解池的工作原理，為解答該題的關(guān)鍵，難度中等．