Question

10．某酸性工业废水中含有K₂Cr₂O₇．光照下，草酸（H₂C₂O₄）能将其中的Cr₂O₇^2-转化为Cr²⁺．某课题组研究发现，少量铁明矾[Al₂Fe（SO₄）₄•4H₂O]即可对该反应起催化作用，为进一步研究有关因素对该反应速率的影响，探究如下：
（1）在25℃下，控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同，调节不同的初始pH和一定浓度草酸溶液用量，作对比实验，完成以下实验设计表（表中不要留空格）．

实验编号	初始pH	废水样品体积/mL	草酸溶液体积/mL	蒸馏水体积/mL
①	4	a=60	10	30
②	5	60	10	c=30
③	5	60	b=20	20

测得实验①和②溶液中的Cr₂O₇^2-随时间变化关系如图所示．
（2）上述反应后草酸被氧化为CO₂（填化学式）；
（3）实验①和②的结果表明，其他条件不变时，溶液的pH越小，反应速率越快；
（4）该课题组对铁明矾[Al₂Fe（SO₄）₄•4H₂O]中起催化作用的成分提出如下假设，请你完成假设三：
假设一：Fe²⁺起催化作用；
假设二：Al³⁺起催化作用
假设三：SO₄^2-起催化作用．
（5）请你设计实验验证上述假设一，完成下表中内容．（除了上述实验提供的试剂外，可供选择的药品有K₂SO₄、FeSO₄、K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O、Al₂（SO₄）₃等．（溶液中Cr₂O₇^2-的浓度可用仪器测定）

实验方案（不要求写具体操作过程）	预期实验结果和结论
取等物质的量的K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O代替实验①中的铁明矾，控制其他反条件与实验①相同，进行对比实验．	反应进行相同时间后， 若溶液中的Cr2O72-浓度大于 实验①中的Cr2O72的浓度，则假设一成立； 若溶液中的Cr2O72-浓度等于 实验①中的Cr2O72的浓度，则假设一不成立．

（6）铁明矾长期存放，其中的亚铁离子可能会变质．为测定铁明矾中亚铁离子的质量分数．取5.6g铁明矾晶体，将其配制为100ml的溶液，取出20ml置于锥形瓶中，用0.01mol•L^-1的 标准KMnO₄溶液进行滴定（还原产物为Mn²⁺），平行做4组实验，得出如下表数值．

组数	1	2	3	4
消耗V（KMnO4）/ml	20.04	20.00	18.90	19.96

则明矾中亚铁离子的质量分数：5.00%（保留小数点后2位有效数字）．若滴定结束后读书时俯视，测定结果偏小（填“偏大”、“不影响”或“偏小”）．[相对原子质量Fe：56]．

Answer 1

分析 （1）根据实验目的“调节不同的初始pH和一定浓度草酸溶液用量，作对比实验”设置对比试验；
（2）根据氧化还原反应的原理，草酸还原性较强，遇到强氧化剂时被氧化成二氧化碳；
（3）实验①②表明溶液pH越小，反应的速率越快；
（4）根据铁明矾Al₂Fe（SO₄）₄•4H₂O的组成离子进行分析；
（5）证明亚铁离子是否具有催化作用，需要选择不含亚铁离子且含有铝离子和硫酸根离子的试剂进行对比实验，根据溶液中的Cr₂O₇^2-浓度与实验①中Cr₂O₇^2-浓度进行比较得出正确结论；
（6）计算体积的平均值，根据反应的离子方程式计算，滴定后俯视读数，会导致体积偏小．

解答 解：（1）①②中pH不同，是探究pH对速率的影响；做对比试验时，除了探究的量不同外，其它条件必须完全相同，所以①中废水条件为60mL、②中蒸馏水体积为30mL；试验中总体积必须相等，所以③中醋酸体积为20mL，其pH为5，以便通过②、③探究草酸浓度对反应速率的影响，
故答案为：

实验 编号	初始 pH	废水样品 体积/mL	草酸溶液 体积/mL	蒸馏水 体积/mL
①		60
②				30
③			20

（2）根据氧化还原反应的原理，草酸还原性较强，遇到强氧化剂时被氧化成二氧化碳，
故答案为：CO₂；
（3）由实验①②表明溶液pH越小，反应的速率越快，所以溶液pH对该反应的速率有影响，
故答案为：溶液的pH越小，反应速率越快；
（4）根据铁明矾[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]组成分析，SO₄^2-起催化作用，
故答案为：SO₄^2-起催化作用；
（5）要证明Fe²⁺起催化作用，需做对比实验，再做没有Fe²⁺存在时的实验，所以要选K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O；用等物质的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O代替实验①中的铁明矾，控制其他反应条件与实验①相同，进行对比实验，反应进行相同时间后，若溶液中c（Cr₂O₇^2-）大于实验①中c（Cr₂O₇^2-），则假设一成立；若两溶液中的c（Cr₂O₇^2-）相同，则假设一不成立，
故答案为：等物质的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O；大于；等于；
（6）取所配溶液25.00ml于锥形瓶中，加稀H₂SO₄酸化，用0.010mol/L KMnO₄溶液滴定，第3组数据误差过大，舍去，所用高锰酸钾溶液体积为$\frac{20.04+20.00+19.96}{3}$mL=20.00mL，
n（MnO₄^-）=0.020L×0.01mol/L=2.0×10^-4mol，
则n（Fe²⁺）=5×1.0×10^-4mol=1.0×10^-3mol，
5.6g晶体含有n（Fe²⁺）=5.0×10^-3mol，
m（Fe²⁺）=56g/mol×5.00×10^-3mol=0.28g，
实验测得该晶体中铁的质量分数为$\frac{0.28}{5.6}$×100%≈5.00%，滴定后俯视读数，会导致体积偏小，浓度偏小．
故答案为：11.20%；偏小．

点评 本题考查了探究影响反应速率因素及重铬酸根与草酸反应过程中的催化作用，涉及到相关的计算，题目难度中上，注意掌握探究影响化学反应速率因素的方法，试题培养了学生从图象中获取数据并分析的能力、设计实验的能力．