把握知识脉络 突破不平凡的“钒”

安徽 尉言勋 李 静

钒是一种重要的过渡金属元素，在元素周期表中位于第四周期ⅤB族。可用作合金的添加剂，有“金属维生素”之称。中学教材没有专题介绍钒的相关性质，却在2016年全国卷Ⅲ中第一次出现，2020年全国卷Ⅰ、卷Ⅲ再次以钒及其化合物为载体，结合新情境、新信息考查电化学及工艺流程等相关知识，侧重考查考生获取并加工处理新信息的能力，知识迁移和综合应用的能力，有效落实了化学学科核心素养。本文对钒及其化合物的性质和用途作了简单介绍，并对典型题目进行了详细解析。

一、知识脉络

图1

二、知识归纳

1.单质

(1)物理性质

纯钒为银白色金属，其晶体呈体心立方堆积，具有较高的熔点和沸点，常与铌、钼、钨、钽并称为难熔金属。当其中含有少量氢、氧、氮、碳等杂质时，性质变脆，硬度增大，延展性降低。

(2)化学性质

钒在空气中于250℃以下比较稳定，有良好的可塑性和可锻性。超过300℃会有明显的氧化。

①在常温下，块状钒不与空气、海水、苛性碱等反应，除氢氟酸外，不与非氧化性酸反应。

②高温下可与氧气、氯气等非金属单质反应。

③可溶于浓硫酸、硝酸或王水中。

④钒能耐浓度为10%的NaOH溶液腐蚀，但不能耐热KOH溶液的腐蚀。

2.钒氧化物的性质

常见的钒氧化物：VO、V2O3、VO2、V2O5，钒元素化合价由+2价到+5价，从低价到高价，由强还原剂过渡到强氧化剂，其水溶液由强碱性逐渐变成弱酸性。

低价钒氧化物不溶于水，但遇强酸会形成强酸盐，如VCl2、VSO4。在空气中易被氧化成高价，反之，五价氧化钒则可被还原性气体还原成四、三、二价的钒氧化合物。

(1)五氧化二钒

①物理性质

橙黄色或砖红色固体。无味、有毒、微溶于水，形成淡黄色酸性溶液。V2O5是最常用的钒化工制品，可用于制硫酸钒催化剂。

②化学性质

③V2O5的制备方法：

(2)二氧化钒(或四氧化二钒)

(3)三氧化二钒

(4)四种氧化物对比

表1

3.钒的氢氧化物和钒酸

(1)钒的氢氧化物

①V(OH)2为褐色沉淀，无纯品，极易被氧化，可溶于盐酸，不溶于氢氧化钠、氢氧化钾，可由正二价钒离子与碱作用制得。

②V(OH)3为绿色胶状沉淀，不稳定，吸收空气中的氧气而被氧化。可由三氯化钒与碱性溶液反应得到氧化物的水合物VO2·xH2O。

③V2O5·xH2O为氢氧化钒(Ⅴ)的存在形式，含水量难以确定。具有两性，酸性比钒酸(Ⅴ)弱。溶于酸生成钒盐(Ⅴ)，溶于碱生成正四价钒的含氧酸盐。

(2)钒酸

4.含氧酸盐及多钒酸盐

(1)正钒酸盐

(2)偏钒酸盐

(3)钒酸盐

三、典例解析

1.在电化学中的考查

( )

图2

A.负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应

B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

【答案】B

【点评】本题考查新型电池，根据题给的VB2电极反应式可得通入氧气的极为正极，VB2电极为负极。明确原电池基本原理以及阴、阳离子定向移动方向，同时结合图中的信息有助于解题。注意电池中电流方向与电子转移方向相反。题目侧重考查学生的分析能力和应用能力，有效渗透了证据推理与模型认知化学学科核心素养。

2.在工艺流程题中的考查

【例2】(2020·全国卷Ⅰ·26)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用如图3工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

图3

该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

回答下列问题：

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

(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、________，以及部分的________。

(4)“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是________。

(5)“调pH”中有沉淀生成，生成沉淀反应的化学方程式是______________________________。

(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是________________________。

【答案】(1)加快酸浸和氧化反应速率(促进氧化完全)

(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

(6)利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全

【点评】本题以黏土钒矿制备NH4VO3为情境，考查陌生方程式的书写，流程的分析，氧化还原反应等相关知识。明确每步的除杂、分离目的，根据工艺流程分析出相应反应是解题关键。侧重考查学生从题目中获取新信息的能力，分析问题、解决问题的能力。题目综合性较强，体现了证据推理与模型认知化学学科核心素养。

3.在物质结构与性质选考题中的考查

【例3】钒(23V)被称为“现代工业味精”，可添加在钢铁中，并以钛-铝-钒合金的形式用于航天领域；钒的化合物被广泛用作催化剂、燃料及电池等。我国钒钛磁铁矿储量较大，是世界上产钒大国。请完成下列问题：

(1)钒的基态原子的外围电子排布式为________。

(2)钒的某种氧化物的晶胞结构如下图4所示，则该氧化物的化学式为________，其熔沸点比下图6(为邻苯二甲酸酐的结构)物质的熔沸点要________(填“高”“低”或“差不多”)。

(3)V2O5是一种常见的催化剂，在合成硫酸、硝酸、邻苯二甲酸酐、乙烯、丙烯中，均使用五氧化二钒作催化剂。

图4

图5

图6

图7

①五氧化二钒的结构简式如上图5所示，则该结构中含有________个π键。

②在丙烯(CH3CH=CH2)分子中碳原子的杂化方式分别为________。

③H、C、N、O四种元素，其电负性从大到小的顺序依次为________。

(4)已知单质钒的晶胞如上图7所示，假设晶胞的边长为d×10-7cm，钒的相对原子质量为M，则密度为_______g·cm-3。(设阿伏加德罗常数为NA)

【答案】(1)3d34s2

(2)VO2高

【点评】本题以钒(23V)为载体，贯穿题目的始终。重点考查核外电子排布、化学键、杂化方式、晶体类型与性质、晶胞结构与计算等相关知识，难点在于晶胞的密度计算。题目渗透了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等化学学科核心素养。