Question

9．某酸性工業廢水中含有K₂Cr₂O₇．光照下，草酸（H₂C₂O₄）能將其中的Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，草酸被氧化成CO₂．某課題組研究發現，少量鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]即可對該反應起催化作用．為進一步研究有關因素對該反應速率的影響，探究如下：
（1）在25℃下，控制光照強度、廢水樣品初始濃度和催化劑用量相同，調節不同的初始pH和一定濃度草酸溶液用量，做對比實驗，完成以下實驗設計表，V₁=20mL．

實驗編號	初始pH	廢水樣品體積/mL	草酸溶液體積/mL	蒸餾水體積/mL
①	4	60	10	30
②	5	60	10	30
③	5	60	V1	20

①和②溶液中的Cr₂O₇^2-濃度隨時間變化關系如圖所示．
（2）上述反應中參加反應的Cr₂O₇^2-與草酸的物質的量之比為1：3．
（3）實驗①和②的結果表明溶液pH對該反應的速率有影響；實驗①中0～t₁時間段反應速率v（Cr³⁺）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1（用代數式表示）．
（4）該課題組對鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]中起催化作用的成分提出如下假設，請完成假設2和假設3：
假設1：Fe²⁺起催化作用；
假設2：Al³⁺起催化作用；
假設3：SO₄^2-起催化作用；
（5）請你設計實驗驗證上述假設一，完成表中內容．（除了上述實驗提供的試劑外，可供選擇的藥品有K₂SO₄、FeSO₄、K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O、Al₂（SO₄）₃等．溶液中Cr₂O₇^2-的濃度可用儀器測定）

實驗方案	預期實驗結果和結論
用等物質的量的K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O代替實驗①中的鐵明礬，控制其他條件與實驗①相同，進行對比實驗

Answer 1

分析 （1）①②中PH不同，是探究PH對速率的影響，則②③是探究不同濃度時草酸對速率的影響；
（2）草酸中碳元素化合價為+3價，被氧化為+4價，Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，根據電子守恒來計算；
（3）實驗①②表明溶液pH越小，反應的速率越快，根據公式求算；
（4）根據鐵明礬的組成分析；
（5）做對比實驗：要證明Fe²⁺起催化作用，需做對比實驗，再做沒有Fe²⁺存在時的實驗，用等物質的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O代替實驗①中的鐵明礬，控制其他反應條件與實驗①相同，進行對比實驗．

解答 解：（1）①②中PH不同，是探究PH對速率的影響；則②③是探究不同濃度時草酸對速率的影響，通過控制溶液的總體積相同，草酸的用量不同來達到目的，根據實驗①②可知溶液的總體各是100mL，則實驗③中的V₁應是（100-60-20）mL=20mL，故答案為：20；
（2）草酸中碳元素化合價為+3價，氧化產物為CO₂，被氧化為+4價，化合價共升高2價，Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，化合價共降低了6價，根據電子守恒，參加反應的Cr₂O₇^2-與草酸的物質的量之比為是1：3，故答案為：1：3；
（3）由實驗①②表明溶液pH越小，反應的速率越快，所以溶液pH對該反應的速率有影響，v（Cr³⁺）=2v（Cr₂O₇^2-）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1，
故答案為：溶液pH對該反應的速率有影響； $\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1；
（4）根據鐵明礬[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]組成分析，Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用，故答案為：Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用；
（5）要證明Fe²⁺起催化作用，需做對比實驗，再做沒有Fe²⁺存在時的實驗，所以要選K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O，注意由于需要控制Al³⁺和SO₄^2-濃度比，不要選用K₂SO₄和Al₂（SO₄）₃；用等物質的量K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O代替實驗①中的鐵明礬，控制其他反應條件與實驗①相同，進行對比實驗，反應進行相同時間后，若溶液中c（Cr₂O₇^2-）大于實驗①中c（Cr₂O₇^2-），則假設一成立；若兩溶液中的c（Cr₂O₇^2-）相同，則假設一不成立；故答案為：

實驗方案	預期實驗結果和結論
用等物質的量K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O代替實驗①中的鐵明礬，控制其他反應條件與實驗①相同，進行對比實驗	反應進行相同時間后，若溶液中c（Cr2O72-）大于實驗①中c（Cr2O72-），則假設一成立；若兩溶液中的c（Cr2O72-）相同，則假設一不成立

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點評 本題考查了探究重鉻酸根與草酸反應過程中的催化作用，該反應為一比較熟悉的反應，還考查了從圖象中獲取數據并分析的能力、設計實驗的能力等，難度中等．