Question

20．某探究小组用KMnO₄酸性溶液与H₂C₂O₄溶液反应过程中溶液紫色消失快慢的方法，研究影响反应速率的因素．实验条件作如下限定：
所用酸性KMnO₄溶液的浓度可选择0.010mol•L^-1、0.0010mol•L^-1，催化剂的用量可选择0.5g、0g，实验温度可选择298K、323K．每次实验KMnO₄酸性溶液的用量均为4mL、H₂C₂O₄溶液（0.10mol•L^-1）的用量均为2mL．
（1）已知草酸溶液中各种微粒存在形式的分布曲线图如图1，请写出KMnO₄酸性溶液与H₂C₂O₄溶液反应的离子方程式2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O．

（2）请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：

实验编号	T/K	催化剂的用量/g	酸性KMnO4溶液的浓度/mol•L-1	实验目的
①	298	0.5	0.010	a．实验①和②探究酸性KMnO4溶液的浓度对该反应速率的影响； b．实验①和③ 探究温度对反应速率的影响； c．实验①和④ 探究催化剂对反应速率的影响．
②
③			0.010
④

（3）某同学对实验①和②分别进行了三次实验，测得以下实验数据（从混合振荡均匀开始计时）：

实验编号	溶液褪色所需时间 t/min
	第1次	第2次	第3次
Ⅰ	14.0	13.0	11.0
Ⅱ	6.5	6.7	6.8

①实验Ⅱ中用KMnO₄的浓度变化来表示的平均反应速率为1×10^-4mol•L^-1•min^-1（忽略混合前后溶液的体积变化）．
②该同学分析上述数据后得出“当其他条件相同的情况下，酸性KMnO₄溶液的浓度越小，所需要的时间就越短，亦即其反应速率越快”的结论，你认为是否正确否（填“是”或“否”）．他认为不用经过计算，直接根据表中褪色时间的长短就可以判断浓度大小与反应速率的关系，你认为是否可行否（填“是”或“否”），若不可行（若认为可行则不填），请设计可以直接通过观察褪色时间的长短来判断的改进方案：取过量的体积相同、浓度不同的草酸溶液，分别同时与体积相同、浓度相同的酸性高锰酸钾溶液反应
（4）该反应的催化剂选择MnCl₂还是MnSO₄并简述选择的理由：MnSO₄，如选用MnCl₂，则酸性高锰酸钾会与Cl^-反应，而且引入了Cl^-无法证明是Mn²⁺起了催化作用
（5）化学催化剂有很多，在生产和科技领域起到重大作用．探究小组又利用乙装置探究MnO₂对H₂O₂分解的催化效果．将50mL H₂O₂一次性加入盛有0.10mol MnO₂粉末的烧瓶中，测得标准状况下由量气管读出气体的体积[V（量气管）/mL]和时间（t/min）的关系如图2所示．
①实验时放出气体的总体积是110mL．
②b小于（填“大于”“小于”或“等于”）90mL．

Answer 1

分析 （1）酸性高锰酸钾溶液具有强氧化性，能氧化草酸根离子生成二氧化碳，同时自身被还原生成二价锰离子，根据氧化还原反应得失电子守恒配平反应方程式；
（2）根据实验的目的和影响化学反应速率的因素来设计实验；
（3）①根据0.01KMnO₄酸性溶液前后三次褪色时间差距较大，应舍去，所以用0.001KMnO₄酸性溶液三次褪色来计算：先求出反应开始时c（KMnO₄），然后求出三次褪色的平均时间，最后根据ν（KMnO₄）=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
②根据KMnO₄的物质的量不同来分析；
（4）酸性条件下，高锰酸根离子能将氯离子氧化成氯气；
（5）①根据图象确定生成氧气的体积；
②图象斜率的大小反映反应速率快慢，斜率越大，反应速率越快，将50mL H₂O₂一次性加入盛有0.10mol MnO₂粉末的烧瓶中，由于反应物浓度减小，反应速率减小，3min～4min生成10mL气体，那么2min～3min生成气体的体积应大于10mL，故b小于90mL．

解答 解：（1）酸性高锰酸钾溶液具有强氧化性，能氧化草酸根离子生成二氧化碳，同时自身被还原生成二价锰离子，离子反应为5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=10CO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O，
故答案为：5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=1OCO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O；
（2）由实验目的可知，探究浓度、温度、接触面积对化学反应速率的影响，
实验①和②探究KMnO₄酸性溶液的浓度对反应速率的影响，则实验①②的温度、催化剂的用量相同，只有浓度不同；实验①③的温度不同，则实验目的是探究温度对化学反应速率的影响，则①③中只有温度不同，其他条件相同；实验①④应该是探究催化剂对反应速率的影响，则①④中只有催化剂的用量不同，其他条件相同，据此完成表格为：

实验 编号	T/K	催化剂的用量/g	酸性KMnO4溶液的浓度/mol•L-1	实验目的
①				b．③ c．④
②	298	0.5	0.0010
③	323	0.5
④	298	0	0.010

故答案为：

实验 编号	T/K	催化剂的用量/g	酸性KMnO4溶液的浓度/mol•L-1	实验目的
①				b．③ c．④
②	298	0.5	0.0010
③	323	0.5
④	298	0	0.010

；
（3）①反应开始时：c（KMnO₄）=$\frac{0.001mol/L×0.004L}{0.004L+0.002L}$=0.00067 mol•L^-1
                 反应时间：△t=$\frac{6.5min+6.7min+6.8min}{3}$=6.7min  
KMnO₄的平均反应速率：ν（KMnO₄）=$\frac{0.00067mol/L}{6.7min}$=1×10^-4 mol•L^-1•min^-1，
故答案：1×10^-4 mol•L^-1•min^-1；
②从表中数据可知，相同体积的0.01mol/LKMnO₄酸性溶液是0.001mol/LKMnO₄酸性溶液10倍，但反应的时间却比其反应时间的二倍左右，由反应速率计算公式（v=$\frac{△c}{△t}$）可得出，此实验条件下KMnO₄酸性溶液的浓度越大反应速率越快；因根据直接看表中的褪色时间长短来判断浓度大小与反应速率的关系，需满足高锰酸钾的物质的量相同，浓度不同的草酸溶液；
故答案为：否；否；取过量的体积相同、浓度不同的草酸溶液，分别同时与体积相同、浓度相同的酸性高锰酸钾溶液反应；
（4）酸性条件下，高锰酸根离子能将氯离子氧化成氯气，自身被还原成二价锰离子，反应方程式为2MnO₄^-+10Cl^-+16H⁺=5Cl₂↑+2Mn²⁺+8H₂O，
故答案为：MnSO₄，如选用MnCl₂，则酸性高锰酸钾会与Cl^-反应，而且引入了Cl^-无法证明是Mn²⁺起了催化作用；
（5）①根据图象知，第4分钟时，随着时间的推移，气体体积不变，所以实验时放出气体的总体积是110 mL，
故答案为：110；
②图象斜率的大小反映反应速率快慢，斜率越大，反应速率越快，将50mL H₂O₂一次性加入盛有0.10mol MnO₂粉末的烧瓶中，由于反应物浓度减小，反应速率减小，3min～4min生成10mL气体，那么2min～3min生成气体的体积应大于10mL，故b小于90mL，
故答案为：小于．

点评 本题主要结合实验考查了外界条件对化学反应速率的影响，反应速率的计算，培养了学生分析问题、解决问题的能力．