不同形态钒的相互转化研究

不同形态钒的相互转化研究

罗玉梅吕银华刘江燕余新武

（湖北师范学院化学与环境工程系湖北黄石435002）

钒是多价态元素，有+5、+4、+3、+2等价态的化合物，在固态或水溶液中都有美丽的颜色。某一价态钒的颜色不仅与它的存在形式有关，也与介质有关。不同无机化学实验教材[1-4]对钒的价态变化实验各有测重点，如由周宁怀主编的《微型无机化学实验》测重于对V2O5的提取和对不同价态钒离子的分离，由大连理工大学无机化学教研室编写的《无机化学实验》对钒价态变化进行了试验，但对酸化浓度和程度没有进一步的实验。笔者试验了不同浓度盐酸对偏钒酸铵缩合反应影响、用锌作还原剂使高价态钒向低价态钒转化而引起的颜色变化、高锰酸钾作氧化剂使低价态钒向高价态钒转化而引起的颜色变化、酸化顺序对氧化还原反应的影响。通过观察溶液颜色的变化确定钒的价态，并在实验的微型化上进行改进。

1 偏钒酸铵固体与不同浓度的盐酸混合的颜色变化

1.1 在5mL的井穴板中加入一小玻璃角匙的偏钒酸铵固体,滴加0.1mol•L-HCl观察所加滴数对颜色的影响:

表1 0.1mol•L-盐酸用量对钒存在形态的影响

从颜色变化可知,加0.1mol•L-HCl使偏钒酸根离子缩合为多种同多酸根离子，最后可得到橙红色的十钒酸根(V10O286-)离子, 溶液中有黄色的VO2+存在,还有橙红色的V2O5沉淀生成。

1.2 在5mL的井穴板中加入一小玻璃角匙的偏钒酸铵固体, 滴加2mol•L-HCl观察所加滴数对颜色的影响:

表2 2mol•L-HCl用量对钒存在形态的影响

从颜色变化可知,随着酸度增大,VO3-离子逐渐缩合为V10O286-离子,继续加酸至

pH=1时变为V2O5,进一步加酸变为VO2+(淡黄色)。

反应式Cl2+2e- =2Cl-的标准电极电势为1.3583V,VO2+ +2H++e-=VO2+ +H2O的标准电极电势为0.991V,比较电极电势,稀盐酸不能将钒(V)还原为低价态, 用6mol•L-HCl 10滴完全溶解偏钒酸铵成为淡黄色的溶液，不引起钒价态的变化，而用浓HCl则溶液变为棕黄色，这是由于随着酸度增大，电极电势减小，发生反应8HCl（浓）+2VO3-=2VO2++Cl2↑+6Cl-+4H2O。由此可得出结论：稀盐酸只起酸化作用, 酸度的变化不改变+5价钒的价态，但改变钒的存在形式，酸度不同，偏钒酸根离子的缩合程度不同，选择2mol•L-HCl就可以达到酸化的目的。

2 酸化顺序不同对钒酸铵与足量锌粉反应的影响

2.1 在5mL的井穴板中加入一小玻璃角匙的偏钒酸铵固体和10滴2mol•L-HCl使固体溶解，再加入锌粉，观察溶液颜色变化。结果为：加入锌粉少量，溶液颜色由黄色变为蓝色；加入锌粉增多，则溶液颜色渐渐由黄色变为绿色（VOCl2）、亮蓝、蓝，最后变为紫色，其反应原理为：2VO2+（淡黄色）+4H++Zn =2VO2+（蓝色）+Zn2++H2O；2VO++4H++Zn =2V3+（绿色）+Zn2++H2O；2V3++Zn =2V2+（紫色）+Zn2+。由此可知，在一定酸度下，+5价钒被还原的程度与还原剂的量有关。通过观察溶液颜色的变化，可知反应进行的程度和钒的价态。

2.2 在5mL的井穴板中加入一小玻璃角匙的偏钒酸铵固体，先加一定量的2mol•L-1 HCl盐酸，再加足量锌粉，观察溶液颜色变化。

表3 酸化程度不同对锌与偏钒酸铵反应的影响

反应现象表明：酸化程度不同钒被还原的程度也不同。

2.3 在5mL的井穴板中加入一小玻璃角匙的偏钒酸铵固体和足量锌粉，再渐渐滴加2mol•L-HCl，振荡静置，观察溶液颜色变化。

表4 酸化顺序不同对锌与偏钒酸铵反应的影响

反应现象表明：还原剂足量，但酸化程度和酸化顺序不同，反应现象也不同，所得产物不同。表3和表4也说明酸化顺序不同，但只要盐酸和锌粉足量，通常VO2+最终都会被还原为V2+。

3 在酸化条件下，低价态的钒被氧化所引起的颜色变化

取10滴2.3中的紫色溶液，向其中滴加0.01 mol•L-KMnO4溶液,溶液颜色变化为:

表5 氧化剂用量对钒的低氧化态向高氧化态转化的影响

由此可知, 将钒从低氧化态氧化成不同的高氧化态，与氧化剂的用量有关。氧化剂用量少,将钒氧化为低价态,氧化剂用量多,则将钒氧化为高价态。只要高锰酸钾和酸足量，通常都会将V2+氧化为V(V)。

4 V(V) 的存在形态

取少偏许钒酸铵固体加水溶解制成溶液，重复上述实验，所得现象基本相同，故钒酸铵的存在形态对反应无影响。

5 结论

5.1 在钒的不同氧化态转化实验中，钒的存在形式对转化不产生影响，主要是溶液中H+浓度、锌粉和高锰酸钾的用量起主要作用；

5.2 由V3+ +e- =V2+的电极电势为-0.255V，O2 + 4H+ +4e- =4H2O的电极电势为1.229V，V2+易被空气氧化成V3+，在空气中放置久了紫色溶液将变成绿色溶液，即V2+溶液不宜在空气中久置。

参考文献

[1] 黄佩丽《无机元素化学实验现象剖析》.北京师范大学出版社,1990,112-117

[2] 周宁怀主编《微型无机化学实验》..科学出版社,2001,165

[3] 大连理工大学无机化学元素教研室编《无机化学实验》.高等教育出版社1989,78-81

[4] 北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学《无机化学》. 高等教育出版社第四版,2002