Question

某小组通过分析镁与酸反应时pH的变化，探究镁与醋酸溶液反应的实质。

（实验）在常温水浴条件下，进行实验Ⅰ～Ⅲ，记录生成气体体积和溶液pH的变化：

Ⅰ．取0.1 g光亮的镁屑(过量)放入10 mL 0.10 mol·L^–1 HCl溶液中；

Ⅱ．取0.1 g光亮的镁屑放入10 mL 0.10 mol·L^–1 CH₃COOH溶液(pH = 2.9)中；

Ⅲ．取0.1 g光亮的镁屑放入10 mL pH = 2.9 HCl溶液中。

（数据）

图1                                             图2

(1)起始阶段，Ⅰ中主要反应的离子方程式是____。

(2)Ⅱ起始溶液中约为____。(选填“1”、“10”或“10²”)

(3)起始阶段，导致Ⅱ、Ⅲ气体产生速率差异的主要因素不是c(H⁺)，实验证据是____。

(4)探究Ⅱ的反应速率大于Ⅲ的原因。

提出假设：CH₃COOH能直接与Mg反应。

进行实验Ⅳ：____。

得出结论：该假设成立。

(5)探究醋酸溶液中与Mg反应的主要微粒，进行实验Ⅴ。

与Ⅱ相同的条件和试剂用量，将溶液换成含0.10 mol·L^–1的 CH₃COOH与0.10 mol·L^–1 CH₃COONa的混合溶液(pH = 4.8)，气体产生速率与Ⅱ对比如下。

a．实验Ⅴ起始速率	b．实验Ⅱ起始速率	c．实验ⅡpH=4.8时速率
2.1 mL·min^–1	2.3 mL·min^–1	0.8 mL·min^–1

对比a~c中的微粒浓度，解释其a与b、a与c气体产生速率差异的原因：____。

(6)综合以上实验得出结论：

①镁与醋酸溶液反应时，CH₃COOH、H⁺、H₂O均能与镁反应产生氢气；

②____。

(7)实验反思：120 min附近，Ⅰ~ⅢpH均基本不变，pH(Ⅰ) ≈ pH(Ⅱ) < pH(Ⅲ)，解释其原因：____。

Answer

Mg + 2H+ = Mg2+ + H2↑ 102 由图1可知起始阶段Ⅱ的速率远大于Ⅲ，但图2表明起始阶段Ⅱ的pH大于Ⅲ 室温下，将光亮的镁屑投入冰醋酸中，立即产生气体 a与b对比，c(CH3COOH)几乎相同，但b中c(H+) 约为a的100倍，使速率b > a；a与c对比，c(H+)几乎相同，但a中c(CH3COOH)约为c 的2倍，使速率a > c CH3COOH是与Mg反应产生气体的主要微粒 120min附近，Mg(OH)2(s) ⇌Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均达到平衡状态，因此pH基本不变；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相对Ⅲ逆移，c(OH–)减小，pH减小

【解析】

反应刚开始时，由于 Ⅰ 中c(H+)最大，所以反应速率最快，消耗n(H+)最多，但如果只发生反应2H++Mg=Mg2++H2↑，则Ⅰ、Ⅱ中产生H2的体积应相差较大，但实际上体积相差不大，说明醋酸也能与镁直接反应；从Ⅱ、Ⅲ中产生H2的体积也可得出同样的结论。当Ⅰ、Ⅱ中产生H2的体积相同时，盐酸、醋酸应完全反应，但产生H2的体积继续增大，表明Mg与H2O能发生反应Mg+2H2O= Mg(OH)2+ H2↑，且醋酸中产生的H2更多，说明Mg与H2O反应的速率Ⅱ中更快。比较Ⅱ、Ⅲ中溶液的pH，随着反应的进行，Ⅱ的pH比Ⅲ大，但产生H2的速率Ⅱ>Ⅲ，表明c(H+)不是影响反应速率的唯一因素；比较Ⅰ、Ⅱ溶液的pH，当pH相等后，盐酸中溶液的pH先趋于稳定，说明盐酸与Mg反应先结束，而醋酸与Mg反应后结束；Ⅲ与Ⅰ、Ⅱ溶液进行比较，Ⅲ的pH大，则表明Ⅲ中c(OH–)大，应为Ⅰ、Ⅱ溶液中c(Mg2+)引起。

(1)起始阶段，Ⅰ 中主要发生镁与盐酸的反应，离子方程式是Mg + 2H+= Mg2++ H2↑。答案为：Mg + 2H+= Mg2++ H2↑；

(2)Ⅱ 起始溶液中约为=102。答案为：102；

(3)起始阶段，虽然Ⅱ、Ⅲ中c(H+)相等，但从产生H2的体积判断，Ⅱ、Ⅲ中气体产生速率差异很大，而Ⅱ的pH大于Ⅲ，则表明主要因素不是c(H+)，实验证据是：由图1可知，起始阶段Ⅱ的速率远大于Ⅲ，但图2表明起始阶段Ⅱ的pH大于Ⅲ。答案为：由图1可知，起始阶段Ⅱ的速率远大于Ⅲ，但图2表明起始阶段Ⅱ的pH大于Ⅲ；

(4)既然c(H+)不是影响反应速率的主要原因，那么有可能是醋酸能与Mg直接反应，于是进行实验Ⅳ：室温下，将光亮的镁屑投入冰醋酸中，立即产生气体。答案为：室温下，将光亮的镁屑投入冰醋酸中，立即产生气体；

(5) a与b中醋酸浓度相同、但a中c(H+)小，反应速率慢；a与c中，c(H+)相同，但醋酸浓度c大约是a中的一半(假设实验Ⅱ中醋酸反应掉近一半，此时溶液中醋酸与醋酸根离子浓度相等，刚好为a中的一半，pH比a中稍大)，反应速率慢，由此得出气体产生速率差异的原因：a与b对比，c(CH3COOH)几乎相同，但b中c(H+)约为a的100倍，使速率b > a；a与c对比，c(H+)几乎相同，但a中c(CH3COOH)约为c 的2倍，使速率a > c。答案为：a与b对比，c(CH3COOH)几乎相同，但b中c(H+)约为a的100倍，使速率b > a；a与c对比，c(H+)几乎相同，但a中c(CH3COOH)约为c 的2倍，使速率a > c；

(6)①镁与醋酸溶液反应时，CH3COOH、H+、H2O均能与镁反应产生氢气；

②从实验Ⅰ、Ⅱ的比较中可得出，CH3COOH是与Mg反应产生气体的主要微粒。答案为：CH3COOH是与Mg反应产生气体的主要微粒；

(7) 120 min附近，Ⅰ~Ⅲ pH均基本不变、c(Mg2+)相同，而Ⅲ的pH大，c(Mg2+)小，所以解释pH(Ⅰ) ≈ pH(Ⅱ) < pH(Ⅲ)的原因，应为：120min附近，Mg(OH)2(s)⇌Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均达到平衡状态，因此pH基本不变；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相对Ⅲ逆移，c(OH–)减小，pH减小。答案为：120min附近，Mg(OH)2(s)⇌Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均达到平衡状态，因此pH基本不变；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相对Ⅲ逆移，c(OH–)减小，pH减小。