Question

研究不同 pH 时 CuSO₄ 溶液对 H₂O₂ 分解的催化作用。资料：a．Cu₂O 为红色固体，难溶于水，能溶于硫酸，生成 Cu 和Cu²⁺。b．CuO₂ 为棕褐色固体，难溶于水，能溶于硫酸，生成 Cu²⁺和 H₂O₂。c．H₂O₂ 有弱酸性：H₂O₂ H⁺ +HO₂^-，HO₂^- H⁺ +O₂^2-。

编号	实验	现象
Ⅰ	向 1 mL pH＝2 的 1 mol·L^−^1 CuSO4溶液中加入 0.5 mL 30% H2O2 溶液	出现少量气泡
Ⅱ	向 1 mL pH＝3 的 1 mol·L^−^1 CuSO4溶液中加入 0.5 mL 30% H2O2 溶液	立即产生少量棕黄色沉淀，出现较明显气泡
Ⅲ	向 1 mL pH＝5 的 1 mol·L^−^1CuSO4溶液中加入 0.5 mL 30% H2O2 溶液	立即产生大量棕褐色沉淀，产生大量气泡

（1） 经检验生成的气体均为 O₂，Ⅰ中 CuSO₄ 催化分解 H₂O₂ 的化学方程式是__。

（2）对Ⅲ中棕褐色沉淀的成分提出 2 种假设：ⅰ.CuO₂，ⅱ.Cu₂O 和CuO₂ 的混合物。为检验上述假设，进行实验Ⅳ：过滤Ⅲ中的沉淀，洗涤，加入过量硫酸，沉淀完全溶解，溶液呈蓝色，并产生少量气泡。

①若Ⅲ中生成的沉淀为 CuO₂，其反应的离子方程式是__。

②依据Ⅳ中沉淀完全溶解，甲同学认为假设ⅱ不成立，乙同学不同意甲同学的观点，理由是__。

③为探究沉淀中是否存在 Cu₂O，设计如下实验：

将Ⅲ中沉淀洗涤、干燥后，取 a g 固体溶于过量稀硫酸，充分加热。冷却后调节溶液 pH，以 PAN 为指示剂，向溶液中滴加 c mol·L ^{− 1}EDTA 溶液至滴定终点，消耗 EDTA 溶液 V mL。V=__，可知沉淀中不含 Cu₂O，假设ⅰ成立。（已知：Cu²⁺+EDTA= EDTA-Cu²⁺，M(CuO₂)＝96 g·mol ^{− 1}，M(Cu₂O)＝144 g·mol⁻¹）

（3）结合方程式，运用化学反应原理解释Ⅲ中生成的沉淀多于Ⅱ中的原因__ 。

（4）研究Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中不同 pH 时 H₂O₂ 分解速率不同的原因。

实验Ⅴ：在试管中分别取 1 mL pH＝2、3、5 的 1 mol·L⁻¹ Na₂SO₄ 溶液，向其中各加入 0.5 mL 30% H₂O₂ 溶液，三支试管中均无明显现象。

实验Ⅵ：__（填实验操作和现象），说明 CuO₂ 能够催化 H₂O₂ 分解。

（5）综合上述实验，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中不同 pH 时 H₂O₂ 的分解速率不同的原因是__。

Answer

2H2O2 O2↑+2H2O H2O2+Cu2+＝CuO2↓+2H+ CuO2与H+反应产生的H2O2具有强氧化性，在酸性条件下可能会氧化Cu2O或Cu，无法观察到红色沉淀Cu 溶液中存在H2O2H+ +HO2－，HO2－H+ +O22－，溶液pH增大，两个平衡均正向移动，O22－浓度增大，使得CuO2沉淀量增大 将Ⅲ中沉淀过滤，洗涤，干燥，称取少量于试管中，加入30％H2O2溶液，立即产生大量气泡，反应结束后，测得干燥后固体的质量不变 CuO2的催化能力强于Cu2+；随pH增大，Cu2+与H2O2反应生成CuO2增多

【解析】

（1）由题意可知，在硫酸铜做催化剂作用下，双氧水分解生成水和氧气，反应的化学方程式为2H2O2 O2↑+2H2O，故答案为：2H2O2 O2↑+2H2O；

（2）①若Ⅲ中生成的沉淀为CuO2，说明双氧水与铜离子反应生成过氧化铜和水，反应的离子方程式为H2O2+Cu2+=CuO2↓+2H+，故答案为：H2O2+Cu2+=CuO2↓+2H+；

②由题意可知，过氧化铜能与溶液中氢离子反应生成双氧水，双氧水具有强氧化性，在酸性条件下可能会氧化氧化亚铜或铜，无法观察到红色沉淀，说明假设ⅱ可能成立，乙同学的观点正确，故答案为：CuO2与H+反应产生的H2O2具有强氧化性，在酸性条件下可能会氧化Cu2O或Cu，无法观察到红色沉淀Cu；

③a g过氧化铜的物质的量为，由方程式可得如下关系：CuO2—Cu2+—EDTA，则有= c mol/L×V×10—3L，解得V=ml，故答案为：；

（3）由题意可知，双氧水溶液中存在如下电离平衡H2O2H+ +HO2－、HO2－H+ +O22－，溶液pH增大，氢离子浓度减小，两个平衡均正向移动，过氧根浓度增大，使得过氧化铜沉淀量增大，故答案为：溶液中存在H2O2H+ +HO2－，HO2－H+ +O22－，溶液pH增大，两个平衡均正向移动，O22－浓度增大，使得CuO2沉淀量增大；

（4）若过氧化铜能够催化过氧化氢分解，过氧化氢分解速率加快，催化剂过氧化铜的组成和质量不会发生变化，则实验操作和现象为将Ⅲ中沉淀过滤，洗涤，干燥，称取少量于试管中，加入30％H2O2溶液，立即产生大量气泡，反应结束后，测得干燥后固体的质量不变，故答案为：将Ⅲ中沉淀过滤，洗涤，干燥，称取少量于试管中，加入30％H2O2溶液，立即产生大量气泡，反应结束后，测得干燥后固体的质量不变；

（5）由以上实验可知，当溶液pH增大时，双氧水溶液中过氧根浓度增大，使得过氧化铜沉淀量增大，过氧化铜的催化能力强于铜离子，使双氧水的分解速率增大，故答案为：CuO2的催化能力强于Cu2+；随pH增大，Cu2+与H2O2反应生成CuO2增多。