Question

20．還原性的無水草酸是無色無臭的透明結晶或白色粉末．草酸在濃硫酸并加熱條件下容易脫去水分，分解為二氧化碳和一氧化碳．

（1）草酸（H₂C₂O₄）濃硫酸并加熱條件下分解的化學方程式為：H₂C₂O₄ $\frac{\underline{\;濃硫酸\;}}{△}$CO↑+CO₂↑+H₂O下列裝置中如圖1，可用于草酸分解制取氣體的是d．（填字母）
（2）某探究小組利用草酸分解產生的混合氣體和鐵銹反應來測定鐵銹樣品組成（假定鐵銹中只有Fe₂O₃•nH₂O和Fe兩種成份），實驗裝置如下圖2所示，請回答：
①為得到干燥、純凈的CO氣體，洗氣瓶A、B中盛放的試劑分別是濃NaOH溶液、濃硫酸．
②在點燃酒精燈之前應進行的操作是：（a）檢查裝置氣密性（或先排盡裝置內空氣，以防止加熱時發生爆炸）；（b）通入混合氣體一段時間．
③準確稱量樣品的質量10.00g置于硬質玻璃管中，充分反應后冷卻、稱量，硬質玻璃管中剩余固體質量為8.32g，D中濃硫酸增重0.72g，則n=2（假定Fe和H₂O不發生反應，實驗過程中每步均完全吸收或反應）．
④在本實驗中，下列情況會使測定結果n偏大的是abc（填字母）．
a．缺少洗氣瓶B                     b．缺少裝置E
c．反應后固體是鐵和少量Fe₂O₃       d．反應后固體是鐵和少量Fe₂O₃•nH₂O
（3）該探究小組還利用KMnO₄酸性溶液與H₂C₂O₄溶液反應過程中溶液紫色消失的方法，研究影響反應速率的因素．
①請完成以下實驗設計表（表中不要留空格）：
每次實驗KMnO₄酸性溶液的用量均為4mL、H₂C₂O₄溶液的用量均為2mL，催化劑MnSO₄的用量可選擇0.5g、0.0g）
②若要準確計算反應速率，該實驗中還需測定溶液紫色消失所需要的時間．請你設計出通過測定褪色時間長短來判斷濃度大小與反應速率關系的實驗方案：

實驗 編號	實驗目的	T/K	催化劑用量/g	c/mol•l-1
				KMnO4	H2C2O4
Ⅰ	為以下實驗作參考	298	0.5	0.01	0.1
Ⅱ	探究KMnO4酸性溶液的濃度對該反應速率的影響	298	0.5	0.001	0.1
Ⅲ		323	0.5	0.01	0.1
Ⅳ	探究催化劑對反應速率的影響				0.1

取過量的體積相同、濃度不同的草酸溶液分別同時與體積相同、濃度相同的高錳酸鉀酸性溶液反應．
③寫出KMnO₄酸性溶液與H₂C₂O₄溶液反應的離子方程式：2MnO₄^_+5H₂C₂O₄+6H⁺=10CO₂↑+8H₂O+2Mn²⁺．

Answer 1

分析 （1）根據題中信息：草酸在濃硫酸并加熱條件下容易脫去水分，分解為二氧化碳和一氧化碳寫出反應的化學方程式；根據該反應反應物、反應條件進行分析合理的發生裝置；
（2）①草酸分解產物中有二氧化碳、一氧化碳和水，要得到干燥、純凈的CO氣體，應該先除去二氧化碳，然后使用濃硫酸進行干燥；
②該實驗裝置連有多個裝置，實驗前需要檢驗裝置的氣密性（或一氧化碳為可燃性氣體，點燃酒精燈之前需要將裝置中的空氣排凈，避免發生爆炸）；
③結合方程式，根據固體減少的質量與濃硫酸增重的質量列關系式計算n值；
④設剩余固體質量為xg、裝置D增重yg，則
Fe₂O₃．nH₂O+3CO=Fe+3CO₂+nH₂O    固體減少的質量為
                        18n     （18n+48）g
                         y           10-x 
  $\frac{（18n+48）g}{18ng}$=$\frac{10-y}{y}$，整理可得：1+$\frac{24}{9n}$=$\frac{10-y}{y}$，
即固體剩余質量越大，測定的n值越大；裝置D中質量增重越大，測定的n值越小，據此進行判斷；
（3）①研究影響反應速率的因素時，除了待探究的因素不同外，其它因素必須完全相同，據此進行解答；
②因顏色是由KMnO₄產生，如果想通過直接觀察褪色時間長短來判斷必須保證高錳酸鉀的體積與濃度相同，草酸的體積相同、濃度不同．
③高錳酸鉀溶液氧化草酸為二氧化碳，本身被還原為錳離子，結合原子守恒和電荷守恒配平得到離子方程式．

解答 解：（1）草酸在濃硫酸并加熱條件下容易脫去水分，分解為二氧化碳和一氧化碳，發生反應的化學方程式為：H₂C₂O₄ $\frac{\underline{\;濃硫酸\;}}{△}$CO↑+CO₂↑+H₂O；該反應需要加熱、還應該能夠控制反應開始和停止，綜合考慮可知裝置d可用于草酸分解制取氣體，
故答案為：H₂C₂O₄ $\frac{\underline{\;濃硫酸\;}}{△}$CO↑+CO₂↑+H₂O；d；
（2）①為得到干燥、純凈的CO氣體，洗氣瓶A盛放的為氫氧化鈉溶液，用于除去混合氣體中的二氧化碳；裝置盛放干燥劑濃硫酸，目的為干燥CO，
故答案為：濃NaOH溶液；濃硫酸；
②實驗前需要檢查裝置氣密性是否良好，否則影響測定結果（或者一氧化碳為可燃性氣體，點燃酒精燈之前需要將裝置中的空氣排凈），
故答案為：檢查裝置氣密性（或先排盡裝置內空氣，以防止加熱時發生爆炸）；
③由題意知，固體質量減少的量為水和氧的量，濃硫酸吸收的量為水，反應方程式為：
Fe₂O₃．nH₂O+3CO=Fe+3CO₂+nH₂O    固體減少的質量為
                        18ng      （18n+48）g
                        0.72g     10.00g-8.32g
則0.72g×（18n+48）g=18ng×（ 10.00g-8.32g），
解得n=2，
故答案為：2；
④設剩余固體質量為xg、裝置D增重yg，則
Fe₂O₃．nH₂O+3CO=Fe+3CO₂+nH₂O    固體減少的質量為
                        18n     （18n+48）g
                         y           10-x 
    $\frac{（18n+48）g}{18ng}$=$\frac{10-y}{y}$，整理可得：1+$\frac{24}{9n}$=$\frac{10-y}{y}$，
即固體剩余質量越大，測定的n值越大；裝置D中質量增重越大，測定的n值越小
a．缺少洗氣瓶B，會導致D中濃硫酸增重質量偏大，計算出的n值偏大，故a正確；                    
b．缺少裝置E，濃硫酸具有吸水性，會導致裝置D中的質量比實際增加的質量偏高，計算出的n偏大，故b正確；
c．反應后固體是鐵和少量Fe₂O₃，氧化鐵沒有完全反應，導致測定結果偏高，故c正確；
d．反應后固體是鐵和少量Fe₂O₃•nH₂O，相當于部分Fe₂O₃•nH₂O沒有反應，不影響沉淀結果，故d錯誤；
故答案為：abc；
（3）①實驗③中反應條件與實驗①相比，只有溫度不同，實驗實驗③探究的是溫度對反應速率的影響；實驗④探究的是探究催化劑對反應速率的影響，所以實驗④中催化劑用量與反應①不同，則催化劑為0，其它條件必須完全相同，
故答案為：

實驗 編號	實驗目的	T/K	催化劑的 用量/g	C/（mol/L）
				KMnO4	H2C2O4
①
②
③	探究溫度對反應速率的影響
④		298	0	0.01

故答案為：

實驗 編號	實驗目的	T/K	催化劑的 用量/g	C/（mol/L）
				KMnO4	H2C2O4
I
II
III	探究溫度對反應速率的影響
IV		298	0.0	0.01

②因顏色是由KMnO₄產生，雖然KMnO₄濃度大反應快，但KMnO₄的量也多，故無法根據顏色變化比較反應快慢，不經過計算直接利用表中的褪色時間長短來判斷濃度大小與反應速率的關系是不可行的；若想通過直接觀察褪色時間長短來判斷溶液濃度的大小，則必須保證KMnO₄酸性溶液的濃度和體積相同，草酸的體積相同，物質的量濃度不同，即：取過量的體積相同、濃度不同的草酸溶液分別同時與體積相同、濃度相同的高錳酸鉀酸性溶液反應，
故答案為：取過量的體積相同、濃度不同的草酸溶液分別同時與體積相同、濃度相同的高錳酸鉀酸性溶液反應．
③高錳酸鉀溶液氧化草酸為二氧化碳，本身被還原為錳離子，結合原子守恒和電荷守恒配平得到KMnO₄酸性溶液與H₂C₂O₄溶液反應的離子方程式為：2MnO₄_+5H₂C₂O₄+6H⁺=10CO₂↑+8 H₂O+2Mn²⁺，
故答案為：2MnO₄_+5H₂C₂O₄+6H⁺=10CO₂↑+8 H₂O+2Mn²⁺．

點評 本題考查了實驗基本操作、反應裝置的選擇，實驗測定物質成分的實驗方案的設計、影響化學反應速率的因素等知識，題目難度較大，注意根據反應物的狀態及反應條件選擇反應裝置，明確探究反應速率快慢的方法．