Question

2．KMnO₄酸性溶液与草酸（H₂C₂O₄）溶液反应时，溶液紫色会逐渐褪去．某探究小组用测定此反应溶液紫色消失所需时间的方法，研究外界条件对反应速率的影响．该实验条件作如下限定：
①所用KMnO₄酸性溶液的浓度可选择：0.02mol•L^-1、0.002mol•L^-1；
②所用H₂C₂O₄溶液的浓度可选择：0.2mol•L^-1、0.4mol•L^-1；
③每次实验时KMnO₄酸性溶液的用量均为4mL、H₂C₂O₄溶液的用量均为2mL．
（1）若要探究反应物浓度、温度、催化剂对反应速率的影响，通过变换这些实验条件，至少需要完成4组实验进行对比即可得出结论．
（2）在其它条件相同的情况下，某同学改变KMnO₄酸性溶液的浓度，测得实验数据（从混合振荡均匀开始计时）如表所示：

KMnO4酸性溶液浓度（mol•L-1）	溶液褪色所需时间（min）
	第一次	第二次	第三次
0.02	14	13	11
0.002	6.7	6.6	6.7

①用0.002mol•L^-1 KMnO₄酸性溶液进行实验时，KMnO₄的平均反应速率2×10^-4mol•L^-1•min^-1（忽略混合前后溶液体积变化）．
②该小组同学认为依据表中数据，不能得出“溶液的褪色所需时间越短，反应速率越快”的结论．该同学设计以下方案，可以直接得出“褪色时间越短，反应的速率越快”结论．

KMnO4酸性溶液		H2C2O4溶液
浓度/mol•L-1	体积（mL）	浓度/mol•L-1	体积（mL）
0.02	2	b	4
a	2	c	4

则表中a=0.02；b=0.2或0.4；c=0.4或0.2．
（3）H₂C₂O₄电离常数：K_a1=5.9×10^-2，K_a2=6.4×10^-5．与KMnO₄反应时，它将转化为CO₂和H₂O．
①草酸与酸性高锰酸钾溶液反应的离子方程式为2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O．
②比较H₂C₂O₄和碳酸酸性强弱的方法是向碳酸氢钠溶液中加入草酸溶液，有气泡生成则证明草酸酸性强，反之碳酸强．
（4）测得某次实验（恒温）时溶液中Mn²⁺物质的量与时间关系如图．请解释n（Mn²⁺）在反应初始时变化不大、一段时间后快速增大的原因：Mn²⁺对该反应起催化作用．

Answer 1

分析 （1）所做的实验至少有对比实验、改变浓度的实验、改变温度的实验、加催化剂的实验；
（2）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
②比较溶液的褪色时间，高锰酸钾酸性溶液的浓度应一致，H₂C₂O₄溶液的浓度应不同；
（3）①在酸性条件下，高锰酸根离子能和草酸发生氧化还原反应生成二价锰离子、二氧化碳和水，据此写出离子方程式；
②根据强制弱原理设计实验证明酸性的强弱；
（4）根据浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响分析．

解答 解：（1）要得出反应物浓度、温度、催化剂对反应速率影响的结论至少要完成：①取不同浓度KMnO₄溶液，在相同温度下进行反应；②取同浓度KMnO₄溶液，在不同温度下进行反应；③取同浓度KMnO₄溶溶，在同温度且有催化剂的条件下进行反应；④取同浓度KMnO₄溶液，在同温度且不使用催化剂的条件下进行反应等3个实验来进行对比，
故答案为：4；
（2）①反应开始时：c（KMnO₄）=$\frac{0.002mol•{L}^{-1}×0.004L}{0.004L+0.002L}$=0.0013 mol•L^-1，反应时间：△t=$\frac{6.7+6.6+6.7}{3}$min=$\frac{20}{3}$min，
KMnO₄的平均反应速率：ν（KMnO₄）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.0013mol•{L}^{-1}}{\frac{20}{3}min}$=2×10^-4 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：2×10^-4 mol•L^-1•min^-1；
②比较溶液的褪色时间，高锰酸钾酸性溶液的浓度应一致，因此a=0.02，H₂C₂O₄溶液的浓度应不同，所用H₂C₂O₄溶液的浓度可选择：0.2mol•L^-1、0.4mol•L^-1，因此b=0.2或0.4、c=0.4或0.2，
故答案为：0.02；0.2或0.4；0.4或0.2；
（3）①在酸性条件下，高锰酸根离子能和草酸发生氧化还原反应生成二价锰离子、二氧化碳和水，离子方程式为：2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O，
故答案为：2MnO₄^-+5H₂C₂O₄+6H⁺=2Mn²⁺+10CO₂↑+8H₂O；
②根据强制弱原理来证明酸性的强弱，向碳酸氢钠溶液中加入草酸溶液，有气泡生成说明草酸与碳酸氢钠反应得到碳酸，碳酸不稳定分解产生二氧化碳，则证明草酸酸性强，若没明显现象则说明碳酸强，
故答案为：向碳酸氢钠溶液中加入草酸溶液，有气泡生成则证明草酸酸性强，反之碳酸强；
（4）随着反应的进行，反应物浓度逐渐减小，化学反应速率减慢，因此不是浓度，温度不变对速率无影响，催化剂可以加快化学反应速率，应为Mn²⁺对该反应起催化作用，
故答案为：Mn²⁺对该反应起催化作用．

点评 本题考查了外界条件的改变对化学反应速率的影响，题目难度较大，涉及对照试验以及化学反应速率的计算、酸性强弱的比较等知识，注意文字阐述的准确性．