把握知識(shí)脈絡(luò) 突破不平凡的“釩”

安徽 尉言勛 李 靜

釩是一種重要的過渡金屬元素，在元素周期表中位于第四周期ⅤB族。可用作合金的添加劑，有“金屬維生素”之稱。中學(xué)教材沒有專題介紹釩的相關(guān)性質(zhì)，卻在2016年全國(guó)卷Ⅲ中第一次出現(xiàn)，2020年全國(guó)卷Ⅰ、卷Ⅲ再次以釩及其化合物為載體，結(jié)合新情境、新信息考查電化學(xué)及工藝流程等相關(guān)知識(shí)，側(cè)重考查考生獲取并加工處理新信息的能力，知識(shí)遷移和綜合應(yīng)用的能力，有效落實(shí)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文對(duì)釩及其化合物的性質(zhì)和用途作了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)典型題目進(jìn)行了詳細(xì)解析。

一、知識(shí)脈絡(luò)

圖1

二、知識(shí)歸納

1.單質(zhì)

(1)物理性質(zhì)

純釩為銀白色金屬，其晶體呈體心立方堆積，具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，常與鈮、鉬、鎢、鉭并稱為難熔金屬。當(dāng)其中含有少量氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)時(shí)，性質(zhì)變脆，硬度增大，延展性降低。

(2)化學(xué)性質(zhì)

釩在空氣中于250℃以下比較穩(wěn)定，有良好的可塑性和可鍛性。超過300℃會(huì)有明顯的氧化。

①在常溫下，塊狀釩不與空氣、海水、苛性堿等反應(yīng)，除氫氟酸外，不與非氧化性酸反應(yīng)。

②高溫下可與氧氣、氯氣等非金屬單質(zhì)反應(yīng)。

③可溶于濃硫酸、硝酸或王水中。

④釩能耐濃度為10%的NaOH溶液腐蝕，但不能耐熱KOH溶液的腐蝕。

2.釩氧化物的性質(zhì)

常見的釩氧化物：VO、V2O3、VO2、V2O5，釩元素化合價(jià)由+2價(jià)到+5價(jià)，從低價(jià)到高價(jià)，由強(qiáng)還原劑過渡到強(qiáng)氧化劑，其水溶液由強(qiáng)堿性逐漸變成弱酸性。

低價(jià)釩氧化物不溶于水，但遇強(qiáng)酸會(huì)形成強(qiáng)酸鹽，如VCl2、VSO4。在空氣中易被氧化成高價(jià)，反之，五價(jià)氧化釩則可被還原性氣體還原成四、三、二價(jià)的釩氧化合物。

(1)五氧化二釩

①物理性質(zhì)

橙黃色或磚紅色固體。無(wú)味、有毒、微溶于水，形成淡黃色酸性溶液。V2O5是最常用的釩化工制品，可用于制硫酸釩催化劑。

②化學(xué)性質(zhì)

③V2O5的制備方法：

(2)二氧化釩(或四氧化二釩)

(3)三氧化二釩

(4)四種氧化物對(duì)比

表1

3.釩的氫氧化物和釩酸

(1)釩的氫氧化物

①V(OH)2為褐色沉淀，無(wú)純品，極易被氧化，可溶于鹽酸，不溶于氫氧化鈉、氫氧化鉀，可由正二價(jià)釩離子與堿作用制得。

②V(OH)3為綠色膠狀沉淀，不穩(wěn)定，吸收空氣中的氧氣而被氧化。可由三氯化釩與堿性溶液反應(yīng)得到氧化物的水合物VO2·xH2O。

③V2O5·xH2O為氫氧化釩(Ⅴ)的存在形式，含水量難以確定。具有兩性，酸性比釩酸(Ⅴ)弱。溶于酸生成釩鹽(Ⅴ)，溶于堿生成正四價(jià)釩的含氧酸鹽。

(2)釩酸

4.含氧酸鹽及多釩酸鹽

(1)正釩酸鹽

(2)偏釩酸鹽

(3)釩酸鹽

三、典例解析

1.在電化學(xué)中的考查

( )

圖2

A.負(fù)載通過0.04 mol電子時(shí)，有0.224 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)

B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高

D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極

【答案】B

【點(diǎn)評(píng)】本題考查新型電池，根據(jù)題給的VB2電極反應(yīng)式可得通入氧氣的極為正極，VB2電極為負(fù)極。明確原電池基本原理以及陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)方向，同時(shí)結(jié)合圖中的信息有助于解題。注意電池中電流方向與電子轉(zhuǎn)移方向相反。題目側(cè)重考查學(xué)生的分析能力和應(yīng)用能力，有效滲透了證據(jù)推理與模型認(rèn)知化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.在工藝流程題中的考查

【例2】(2020·全國(guó)卷Ⅰ·26)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價(jià)的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用如圖3工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖3

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

回答下列問題：

(1)“酸浸氧化”需要加熱，其原因是________________________。

(3)“中和沉淀”中，釩水解并沉淀為V2O5·xH2O，隨濾液②可除去金屬離子K+、Mg2+、Na+、________，以及部分的________。

(4)“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，V2O5·xH2O轉(zhuǎn)化為釩酸鹽溶解。濾渣③的主要成分是________。

(5)“調(diào)pH”中有沉淀生成，生成沉淀反應(yīng)的化學(xué)方程式是______________________________。

(6)“沉釩”中析出NH4VO3晶體時(shí)，需要加入過量NH4Cl，其原因是________________________。

【答案】(1)加快酸浸和氧化反應(yīng)速率(促進(jìn)氧化完全)

(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

(6)利用同離子效應(yīng)，促進(jìn)NH4VO3盡可能析出完全

【點(diǎn)評(píng)】本題以黏土釩礦制備NH4VO3為情境，考查陌生方程式的書寫，流程的分析，氧化還原反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)。明確每步的除雜、分離目的，根據(jù)工藝流程分析出相應(yīng)反應(yīng)是解題關(guān)鍵。側(cè)重考查學(xué)生從題目中獲取新信息的能力，分析問題、解決問題的能力。題目綜合性較強(qiáng)，體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選考題中的考查

【例3】釩(23V)被稱為“現(xiàn)代工業(yè)味精”，可添加在鋼鐵中，并以鈦-鋁-釩合金的形式用于航天領(lǐng)域；釩的化合物被廣泛用作催化劑、燃料及電池等。我國(guó)釩鈦磁鐵礦儲(chǔ)量較大，是世界上產(chǎn)釩大國(guó)。請(qǐng)完成下列問題：

(1)釩的基態(tài)原子的外圍電子排布式為________。

(2)釩的某種氧化物的晶胞結(jié)構(gòu)如下圖4所示，則該氧化物的化學(xué)式為________，其熔沸點(diǎn)比下圖6(為鄰苯二甲酸酐的結(jié)構(gòu))物質(zhì)的熔沸點(diǎn)要________(填“高”“低”或“差不多”)。

(3)V2O5是一種常見的催化劑，在合成硫酸、硝酸、鄰苯二甲酸酐、乙烯、丙烯中，均使用五氧化二釩作催化劑。

圖4

圖5

圖6

圖7

①五氧化二釩的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如上圖5所示，則該結(jié)構(gòu)中含有________個(gè)π鍵。

②在丙烯(CH3CH=CH2)分子中碳原子的雜化方式分別為________。

③H、C、N、O四種元素，其電負(fù)性從大到小的順序依次為________。

(4)已知單質(zhì)釩的晶胞如上圖7所示，假設(shè)晶胞的邊長(zhǎng)為d×10-7cm，釩的相對(duì)原子質(zhì)量為M，則密度為_______g·cm-3。(設(shè)阿伏加德羅常數(shù)為NA)

【答案】(1)3d34s2

(2)VO2高

【點(diǎn)評(píng)】本題以釩(23V)為載體，貫穿題目的始終。重點(diǎn)考查核外電子排布、化學(xué)鍵、雜化方式、晶體類型與性質(zhì)、晶胞結(jié)構(gòu)與計(jì)算等相關(guān)知識(shí)，難點(diǎn)在于晶胞的密度計(jì)算。題目滲透了宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。