Question

17．Fenton试剂常用于处理含难降解有机物的工业废水．通常是在含有亚铁离子的酸性溶 液中投加过氧化氢，在Fe²⁺催化剂作用下，H₂O₂能产生活泼的羟基自由基，从而引发和传播自由基链反应，加快有机物和还原性物质的氧化．
（1）请写出羟基自由基的电子式
（2）羟基自由基的氧化能力仅次于氟，可以与大多数有机污染物发生快速的链式反应，无选择性地把有害物质氧化成CO₂、H₂O，请写出羟基自由基与废水中苯酚反应的方程式C₆H₆O+28•OH═6CO₂↑+17H₂O．
（3）已知Fe³⁺+SCN=Fe （SCN）²⁺，在一定温度下该反应达到平衡时c （Fe³⁺）=0.04mol/L，c （SCN^-）=0.1mol/L，c[Fe （SCN） ²⁺]=0.68mol/L，则此温度下该反应的平衡常数K=170L/mol．有同学利用该反应来检验Fenton试剂中是否产生Fe³⁺，你认为该办法是否可行，请说明理由不可行，羟基自由基会氧化SCN^-．
（4）现运用Fenton试剂降解有机污染物p-CP，试探究有关因素对该降解反应速率的影响．实验中控制p-CP的初始浓度相同，恒定实验温度在298K或313K （其余实验条件 见下表）设计如下对比实验．

实验编号	实验目的	T/K	pH	c/10-3mol•L-1
				H2O2	Fe2+
I	为以下实验作参照	298	3	6.0	0.30
II	探究温度对降解速率的影响	①	②	③	④
III	⑤	298	10	6.0	0.30

请将表中相应序号处内容补充完整①313②3 ⑤探究溶液pH大小对反应速率的影响．
（5）实验测得p-CP的浓度随时间变化的关系如图所示．

a请根据上图实验I曲线，计算降解反应在50-300s内的平均反应速率v （p-CP）=4.8×10^-6mol/（L•s），以及300s时p-CP的降解率为80%；
b．实验I、II表明温度升高，降解反应速率增大（填“增大”、“减小”或“不变”）；
c．实验III得出的结论是：pH=10时，反应基本停止．

Answer 1

分析 （1）羟基中O原子有两个未成对电子，与H成一根共价键后，还有一个未成对电子，据此写出羟基自由基的电子式；
（2）羟基自由基的氧化能力仅次于氟，因此羟基自由基有强氧化性，与废水中的苯酚发生反应，反应生成CO₂和水，据此写出反应方程式；
（3）反应为Fe³⁺+SCN^-=Fe （SCN）²⁺，该反应的平衡常数为$K=\frac{c[Fe（SCN）^{2+}]}{c（SC{N}^{-}）c（F{e}^{3+}）}$，将平衡时浓度代入计算，考虑到羟基自由基具有强氧化性，可以氧化SCN^-，据此分析不能检验Fe³⁺的原因；
（4）实验中控制p-CP的初始浓度相同，恒定实验温度在298K或313K，设计对比实验，根据图表分析，整个实验都以I为参照，采用控制变量法探究，①处应填温度，该栏对应的是探究温度的影响，要改变温度，数据应与I中不同，②处填pH值，但不是探究pH值的影响，则数据应与I中的相同，⑤处填实验内容，是探究pH对反应的影响，据此解答；
（5）a．根据曲线I，反应经历的时间为△t=300-50=250s，p-CP的浓度改变量为△c=1.6×10^-3-0.4×10^-3=1.2×10^-3mol/L，根据化学反应的平均速率v （p-CP）=$\frac{△c}{△t}$，p-CP原始浓度为2.0×10^-3mol/L，300s时浓度为0.4×10^-3mol/L，
则300s时反应了p-CP有1.6×10^-3mol/L，则300s时的转化率为转化量与原始浓度的比值的百分数，据此计算；
b．实验I、II是探究温度变化对反应的影响，II的温度大于I的温度，根据图象，在相同时间内，II中p-CP的浓度下降更多，降解反应速率更快；
c．实验III是探究pH变化对反应的影响，根据图象，III中p-CP的浓度在pH=10时几乎保持不变，表明反应几乎停止．

解答 解：（1）羟基中O原子有两个未成对电子，与H成一根共价键后，还有一个未成对电子，则羟基自由基的电子式为，
故答案为：；
（2）羟基自由基的氧化能力仅次于氟，因此羟基自由基有强氧化性，与废水中的苯酚发生反应，反应生成CO₂和水，则羟基自由基与废水中苯酚反应的方程式为C₆H₆O+28•OH═6CO₂↑+17H₂O，
故答案为：C₆H₆O+28•OH═6CO₂↑+17H₂O；
（3）反应为Fe³⁺+SCN^-=Fe （SCN）²⁺，该反应的平衡常数为$K=\frac{c[Fe（SCN）^{2+}]}{c（SC{N}^{-}）c（F{e}^{3+}）}$，已知平衡时，c （Fe³⁺）=0.04mol/L，c （SCN^-）=0.1mol/L，c[Fe （SCN） ²⁺]=0.68mol/L，则反应的平衡常数为K=$\frac{0.68mol/L}{0.04mol/L×0.1mol/L}$=170L/mol，
考虑到羟基自由基具有强氧化性，能氧化SCN^-，因此不能用该反应来检验Fenton试剂中是否产生Fe³⁺，原因是羟基自由基会氧化SCN^-，
故答案为：170L/mol；不可行，羟基自由基会氧化SCN^-；
（4）实验中控制p-CP的初始浓度相同，恒定实验温度在298K或313K，设计对比实验，根据图表分析，整个实验都以I为参照，采用控制变量法探究，①处应填温度，该栏对应的是探究温度的影响，要改变温度，数据应与I中不同，故①处填313，
②处填pH值，但不是探究pH值的影响，则数据应与I中的相同，故②处填3，
⑤处填实验内容，是探究pH对反应的影响，故⑤处填探究溶液pH大小对反应速率的影响，
故答案为：313；3；探究溶液pH大小对反应速率的影响；
（5）a．根据曲线I，反应经历的时间为△t=300-50=250s，p-CP的浓度改变量为△c=1.6×10^-3-0.4×10^-3=1.2×10^-3mol/L，则降解反应在50-300s内的平均反应速率v （p-CP）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.2×1{0}^{-3}mol/L}{250s}$=4.8×10^-6mol/（L•s），根据图象，
p-CP原始浓度为2.0×10^-3mol/L，300s时浓度为0.4×10^-3mol/L，则300s时的转化率为α=$\frac{1.6×1{0}^{-3}mol/L}{2.0×1{0}^{-3}mol/L}×100%$=80%，
故答案为：4.8×10^-6mol/（L•s）；80%；
b．实验I、II是探究温度变化对反应的影响，II的温度大于I的温度，根据图象，在相同时间内，II中p-CP的浓度下降更多，降解反应速率更快，
故答案为：增大；
c．实验III是探究pH变化对反应的影响，根据图象，III中p-CP的浓度在pH=10时几乎保持不变，表明反应几乎停止，
故答案为：反应基本停止．

点评 本题主要考察化学原理部门知识，包含电子式的书写，氧化还原反应方程式的书写，平衡常数的计算，化学反应速率的计算，转化率的计算，结合图象分析是解题的关键．本题难度不大，是基础题．