Question

9．釩（V）及其化合物廣泛應用于工業(yè)催化、新材料和新能源等領域．
（1）全釩液流儲能電池是利用不同價態(tài)離子對的氧化還原反應來實現(xiàn)化學能和電能相互轉化的裝置，其原理如圖所示．
①若左槽溶液顏色逐漸由藍變黃，其電極反應式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺．
②放電過程中，右槽溶液顏色逐漸由紫色變?yōu)樗{色．
③放電過程中氫離子的作用是：通過交換膜定向移動使電流通過溶液形成閉合回路和參與正極反應；
④若充電時，左槽溶液中n（H⁺）的變化量為2mol，則反應轉移的電子為2mol．
（2）將CH₄設計成燃料電池，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，在標準狀況下，消耗甲烷的體積為V L．

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

Answer 1

分析 （1）①左槽溶液逐漸由藍變黃，VO²⁺轉變?yōu)閂O₂⁺，發(fā)生氧化反應，應為電解池的陽極，
②放電過程中，右槽為負極，發(fā)生氧化反應，由V²⁺生成V³⁺；
③放電過程中，電極反應式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氫離子的作用是充電時，參與正極反應，通過交換膜定向移動使溶液成電中性；
④充電時，左槽發(fā)生的反應為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺當轉移電子2mol電子時，生成氫離子為2mol；
（2）①n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，則反應生成碳酸鉀；
②根據(jù)原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反應生成碳酸氫鉀；
③當V=67.2L時，n（CO₂）=3mol，設碳酸鉀的物質的量為x、碳酸氫鉀的物質的量為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左槽溶液逐漸由藍變黃，VO²⁺轉變?yōu)閂O₂⁺，發(fā)生氧化反應，應為電解池的陽極，其電極反應式為VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺，
故答案為：VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺；
②放電過程中，右槽為負極，發(fā)生氧化反應，由V²⁺生成V³⁺，溶液顏色由紫色變?yōu)樗{色，故答案為：紫；藍；
③放電過程中，電極反應式為VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氫離子的作用是充電時，參與正極反應，通過交換膜定向移動使溶液成電中性，故答案為：參與正極反應；
④充電時，左槽發(fā)生的反應為VO²⁺+H₂O=VO₂⁺+2H⁺+e^-，當轉移電子為1mol電子時，生成氫離子為2mol，此時氫離子參與向陰極移動，通過交換膜定向移動使電流通過溶液，溶液中離子的定向移動可形成電流，通過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，則反應轉移的電子數(shù)為2mol，
故答案為：2mol；
（2）①n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，則反應生成碳酸鉀，電池總反應方程式為：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，反應生成碳酸氫鉀，負極反應式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③當V=67.2L時，n（CO₂）=3mol，設碳酸鉀的物質的量為x、碳酸氫鉀的物質的量為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為：c（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⁺）．

點評 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，側重考查學生分析計算能力，注意把握原電池、電解池的工作原理，為解答該題的關鍵，難度中等．