Question

某酸性工业废水中含有K₂Cr₂O₇。光照下，草酸(H₂C₂O₄)能将其中的Cr₂O₇^2—转化为Cr^3＋。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(表中不要留空格)。

测得实验①和②溶液中的Cr₂O₇^2—浓度随时间变化关系如图所示。

(2)上述反应后草酸被氧化为______________(填化学式)。

(3)实验①和②的结果表明________；实验①中0～t₁时间段反应速率v(Cr^3＋)＝________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，请你完成假设二和假设三：

假设一：Fe^2＋起催化作用；

假设二：________；

假设三：    ________；

……

(5)请你设计实验验证上述假设一，完成下表中内容。[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Cr₂O₇^2—的浓度可用仪器测定]

实验方案 (不要求写具体操作过程)	预期实验结果和结论

Answer

(1)

(2)CO2

(3)溶液pH对该反应的速率有影响 2(c0－c1)/t1

(4)Al3＋起催化作用 SO42—起催化作用

(5)

实验方案

(不要求写具体操作过程)

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中的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

(本题属于开放性试题，合理答案均可)

【解析】首先看清实验目的，确定条件改变的唯一变量，再根据图给信息进行综合分析；对于实验方案的设计也主要考虑变量的控制。

(1)要保证其他量不变，草酸用量为唯一变量，必须保证溶液的体积为100 mL，所以加入草酸和水的体积之和应为40 mL，两者的具体体积没有要求，只需与②中数据不同即可。(2)此反应中铬的化合价由＋6价变为＋3价，化合价降低，所以碳的化合价应升高，草酸中碳的化合价为＋3价，反应后只能变为＋4价，即生成CO2。(3)通过图像可以明显看到，实验①的反应速率比实验②的快，故pH越小，反应速率越快，说明溶液pH对该反应的速率有影响；在0～t1时间段，Cr2O72—的浓度改变了(c0－c1)mol·L－1，其反应速率为(c0－c1)/t1 mol·L－1·min－1，所以v(Cr3＋)＝2(c0－c1)/t1 mol·L－1·min－1。(4)铁明矾中除结晶水外，共有三种离子，均可能起催化作用，除Fe2＋外，还有Al3＋和SO42—。(5)要想验证假设一正确，必须确定Al3＋和SO42—不起催化作用，所以可选择K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O，为了确保Al3＋和SO42—的浓度与原来的相同，所以取和铁明矾相同物质的量的K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O。

点拨：知识：变量控制，氧化还原反应规律，反应速率的计算，实验假设及实验方案的设计。能力：考查将分析问题的过程和结论用正确的语言作出解释的能力，以及初步进行化学实验研究的一般过程，实验分析、设计以及探究能力。试题难度：较大。