Question

某酸性工业废水中含有K₂Cr₂O₇。光照下，草酸能将其中的Cr₂O₇^2-转化为Cr³⁺。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°C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，作对比实验，完成以下实验设计表（表中不要留空格）。

实验编号	初始pH	废水样品体积/mL	草酸溶液体积/mL	蒸馏水体积/mL
①	4	60	10	30
②	5	60	10	30
③	5	60

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（Cr³⁺）=         mol/(L·min) (用代数式表示)。

（4）该课题组队铁明矾[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：Fe²⁺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)₃·2H₂O、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

（16分）（1）20 20

（2）CO2

（3）PH越大，反应的速率越慢 2

（4）Al3+起催化作用；Fe2+和Al3+起催化作用

（5）取PH=5的废水60ml，加入10ml草酸和30ml蒸馏水，滴加几滴FeSO4，测定反应所需时间

预期现象与结论：与②对比，如果速率与②相同，故起催化作用的为Fe2+；

【解析】

试题分析：（1））①②中PH不同，是探究PH对速率的影响；则②③是探究不同浓度时草酸对速率的影响，所以草酸、蒸馏水的体积各为20mL;

（2）草酸中碳元素化合价为+3价，被氧化为+4价，所以氧化产物为CO2，

（3）由实验①②表明溶液pH越大，反应的速率越慢，所以溶液pH对该反应的速率有影响；根据Cr元素守恒，c（Cr2O72-）浓度减小（c0-c1）mol/L，则c(Cr3+)浓度增加2（c0-c1）mol/L，所以v（Cr3+）=2v（Cr2O72-）=2（c0-c1）mol/L/t1min=2 mol/(L·min)；

（4）铁明矾在水溶液中产生铁离子、铝离子、硫酸根离子，根据假设一判断，铁明矾[Al2Fe（SO4）4•24H2O] 中起催化作用的成分还可能是Al3+起催化作用；Fe2+和Al3+起催化作用；

（5）要证明Fe2+起催化作用，则所选试剂中应只含亚铁离子或不含亚铁离子而含有铝离子，所以选择FeSO4或K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O，本题中三个实验中均加入铁明矾，所以选择其中一个与之对比。取PH=5的废水60ml，加入10ml草酸和30ml蒸馏水，滴加几滴FeSO4，测定反应所需时间，预期现象与结论：与②对比，如果速率与②相同，故起催化作用的为Fe2+；或再做没有Fe2+存在时的实验，所以要选K2SO4•Al2（SO4）3•24H2O；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。

考点：考查探究实验的方案设计，影响反应速率条件的判断