Question

9．某酸性工業(yè)廢水中含有K₂Cr₂O₇．光照下，草酸（H₂C₂O₄）能將其中的Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化為Cr³⁺，草酸被氧化成CO₂．某課題組研究發(fā)現(xiàn)，少量鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]即可對(duì)該反應(yīng)起催化作用．為進(jìn)一步研究有關(guān)因素對(duì)該反應(yīng)速率的影響，探究如下：
（1）在25℃下，控制光照強(qiáng)度、廢水樣品初始濃度和催化劑用量相同，調(diào)節(jié)不同的初始pH和一定濃度草酸溶液用量，做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表，V₁=20mL．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	初始pH	廢水樣品體積/mL	草酸溶液體積/mL	蒸餾水體積/mL
①	4	60	10	30
②	5	60	10	30
③	5	60	V1	20

①和②溶液中的Cr₂O₇^2-濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖所示．
（2）上述反應(yīng)中參加反應(yīng)的Cr₂O₇^2-與草酸的物質(zhì)的量之比為1：3．
（3）實(shí)驗(yàn)①和②的結(jié)果表明溶液pH對(duì)該反應(yīng)的速率有影響；實(shí)驗(yàn)①中0～t₁時(shí)間段反應(yīng)速率v（Cr³⁺）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1（用代數(shù)式表示）．
（4）該課題組對(duì)鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]中起催化作用的成分提出如下假設(shè)，請(qǐng)完成假設(shè)2和假設(shè)3：
假設(shè)1：Fe²⁺起催化作用；
假設(shè)2：Al³⁺起催化作用；
假設(shè)3：SO₄^2-起催化作用；
（5）請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述假設(shè)一，完成表中內(nèi)容．（除了上述實(shí)驗(yàn)提供的試劑外，可供選擇的藥品有K₂SO₄、FeSO₄、K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O、Al₂（SO₄）₃等．溶液中Cr₂O₇^2-的濃度可用儀器測(cè)定）

實(shí)驗(yàn)方案	預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論
用等物質(zhì)的量的K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O代替實(shí)驗(yàn)①中的鐵明礬，控制其他條件與實(shí)驗(yàn)①相同，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)

Answer 1

分析 （1）①②中PH不同，是探究PH對(duì)速率的影響，則②③是探究不同濃度時(shí)草酸對(duì)速率的影響；
（2）草酸中碳元素化合價(jià)為+3價(jià)，被氧化為+4價(jià)，Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化為Cr³⁺，根據(jù)電子守恒來(lái)計(jì)算；
（3）實(shí)驗(yàn)①②表明溶液pH越小，反應(yīng)的速率越快，根據(jù)公式求算；
（4）根據(jù)鐵明礬的組成分析；
（5）做對(duì)比實(shí)驗(yàn)：要證明Fe²⁺起催化作用，需做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，再做沒(méi)有Fe²⁺存在時(shí)的實(shí)驗(yàn)，用等物質(zhì)的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O代替實(shí)驗(yàn)①中的鐵明礬，控制其他反應(yīng)條件與實(shí)驗(yàn)①相同，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．

解答 解：（1）①②中PH不同，是探究PH對(duì)速率的影響；則②③是探究不同濃度時(shí)草酸對(duì)速率的影響，通過(guò)控制溶液的總體積相同，草酸的用量不同來(lái)達(dá)到目的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)①②可知溶液的總體各是100mL，則實(shí)驗(yàn)③中的V₁應(yīng)是（100-60-20）mL=20mL，故答案為：20；
（2）草酸中碳元素化合價(jià)為+3價(jià)，氧化產(chǎn)物為CO₂，被氧化為+4價(jià)，化合價(jià)共升高2價(jià)，Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化為Cr³⁺，化合價(jià)共降低了6價(jià)，根據(jù)電子守恒，參加反應(yīng)的Cr₂O₇^2-與草酸的物質(zhì)的量之比為是1：3，故答案為：1：3；
（3）由實(shí)驗(yàn)①②表明溶液pH越小，反應(yīng)的速率越快，所以溶液pH對(duì)該反應(yīng)的速率有影響，v（Cr³⁺）=2v（Cr₂O₇^2-）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1，
故答案為：溶液pH對(duì)該反應(yīng)的速率有影響； $\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1；
（4）根據(jù)鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]組成分析，Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用，故答案為：Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用；
（5）要證明Fe²⁺起催化作用，需做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，再做沒(méi)有Fe²⁺存在時(shí)的實(shí)驗(yàn)，所以要選K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O，注意由于需要控制Al³⁺和SO₄^2-濃度比，不要選用K₂SO₄和Al₂（SO₄）₃；用等物質(zhì)的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O代替實(shí)驗(yàn)①中的鐵明礬，控制其他反應(yīng)條件與實(shí)驗(yàn)①相同，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)進(jìn)行相同時(shí)間后，若溶液中c（Cr₂O₇^2-）大于實(shí)驗(yàn)①中c（Cr₂O₇^2-），則假設(shè)一成立；若兩溶液中的c（Cr₂O₇^2-）相同，則假設(shè)一不成立；故答案為：

實(shí)驗(yàn)方案	預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論
用等物質(zhì)的量K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O代替實(shí)驗(yàn)①中的鐵明礬，控制其他反應(yīng)條件與實(shí)驗(yàn)①相同，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)	反應(yīng)進(jìn)行相同時(shí)間后，若溶液中c（Cr2O72-）大于實(shí)驗(yàn)①中c（Cr2O72-），則假設(shè)一成立；若兩溶液中的c（Cr2O72-）相同，則假設(shè)一不成立

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點(diǎn)評(píng) 本題考查了探究重鉻酸根與草酸反應(yīng)過(guò)程中的催化作用，該反應(yīng)為一比較熟悉的反應(yīng)，還考查了從圖象中獲取數(shù)據(jù)并分析的能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力等，難度中等．