题目内容

9.某酸性工业废水中含有K2Cr2O7.光照下,草酸(H2C2O4)能将其中的Cr2O72-转化为Cr3+,草酸被氧化成CO2.某课题组研究发现,少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4•24H2O]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,做对比实验,完成以下实验设计表,V1=20mL.
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
①4601030
②5601030
③560V120
①和②溶液中的Cr2O72-浓度随时间变化关系如图所示.
(2)上述反应中参加反应的Cr2O72-与草酸的物质的量之比为1:3.
(3)实验①和②的结果表明溶液pH对该反应的速率有影响;实验①中0~t1时间段反应速率v(Cr3+)=$\frac{2({c}_{0}-{c}_{1})}{{t}_{1}}$mol•L-1•min-1(用代数式表示).
(4)该课题组对铁明矾[Al2Fe(SO4)4•24H2O]中起催化作用的成分提出如下假设,请完成假设2和假设3:
假设1:Fe2+起催化作用;
假设2:Al3+起催化作用;
假设3:SO42-起催化作用;
(5)请你设计实验验证上述假设一,完成表中内容.(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Cr2O72-的浓度可用仪器测定)
实验方案预期实验结果和结论
用等物质的量的K2SO4•Al2(SO4)3•24H2O代替实验①中的铁明矾,控制其他条件与实验①相同,进行对比实验

分析 (1)①②中PH不同,是探究PH对速率的影响,则②③是探究不同浓度时草酸对速率的影响;
(2)草酸中碳元素化合价为+3价,被氧化为+4价,Cr2O72-转化为Cr3+,根据电子守恒来计算;
(3)实验①②表明溶液pH越小,反应的速率越快,根据公式求算;
(4)根据铁明矾的组成分析;
(5)做对比实验: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,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.

解答 解:(1)①②中PH不同,是探究PH对速率的影响;则②③是探究不同浓度时草酸对速率的影响,通过控制溶液的总体积相同,草酸的用量不同来达到目的,根据实验①②可知溶液的总体各是100mL,则实验③中的V1应是(100-60-20)mL=20mL,故答案为:20;
(2)草酸中碳元素化合价为+3价,氧化产物为CO2,被氧化为+4价,化合价共升高2价,Cr2O72-转化为Cr3+,化合价共降低了6价,根据电子守恒,参加反应的Cr2O72-与草酸的物质的量之比为是1:3,故答案为:1:3;
(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,v(Cr3+)=2v(Cr2O72-)=$\frac{2({c}_{0}-{c}_{1})}{{t}_{1}}$mol•L-1•min-1,
故答案为:溶液pH对该反应的速率有影响; $\frac{2({c}_{0}-{c}_{1})}{{t}_{1}}$mol•L-1•min-1;
(4)根据铁明矾[Al2Fe(SO4)4•24H2O]组成分析,Al3+起催化作用;SO42-起催化作用,故答案为:Al3+起催化作用;SO42-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,注意由于需要控制Al3+和SO42-浓度比,不要选用K2SO4和Al2(SO4)3;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(Cr2O72-)大于实验①中c(Cr2O72-),则假设一成立;若两溶液中的c(Cr2O72-)相同,则假设一不成立;故答案为:

实验方案预期实验结果和结论
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(Cr2O72-)大于实验①中c(Cr2O72-),则假设一成立;若两溶液中的c(Cr2O72-)相同,则假设一不成立
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点评 本题考查了探究重铬酸根与草酸反应过程中的催化作用,该反应为一比较熟悉的反应,还考查了从图象中获取数据并分析的能力、设计实验的能力等,难度中等.

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