Question

5．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℃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）．

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的离子方程式为Cr₂O₇^2-+3H₂C₂O₄+8H⁺=6CO₂↑+2Cr³⁺+7H₂O
（3）实验①和②的结果表明溶液PH对该反应的速率有影响；实验①中0～t₁时间段反应速率v（Cr³⁺）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$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：Fe²⁺起催化作用：
假设二：Al³⁺起催化作用；
假设三：SO₄^2-起催化作用；
…
（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
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

Answer 1

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；
（2）草酸中碳元素化合价为+3价，被氧化为+4价，Cr₂O₇^2-转化为Cr³⁺，根据电子守恒来计算；
（3）实验①②表明溶液pH越小，反应的速率越快，根据公式求算；
（4）根据铁明矾的组成分析；
（5）做对比实验：要证明Fe²⁺起催化作用，需做对比实验，再做没有Fe²⁺存在时的实验，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．

解答 解：（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，故答案为：

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
③			20	20

（2）草酸中碳元素化合价为+3价，氧化产物为CO₂，被氧化为+4价，化合价共升高2价，Cr₂O₇^2-转化为Cr³⁺，化合价共降低了6价，根据电子守恒，参加反应的Cr₂O₇^2-与草酸的物质的量之比为是1：3，离子方程式为：Cr₂O₇^2-+3H₂C₂O₄+8H⁺=6CO₂↑+2Cr³⁺+7H₂O，
故答案为：Cr₂O₇^2-+3H₂C₂O₄+8H⁺=6CO₂↑+2Cr³⁺+7H₂O；
（3）由实验①②表明溶液pH越小，反应的速率越快，所以溶液pH对该反应的速率有影响，v（Cr³⁺）=2v（Cr₂O₇^2-）=$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$mol•L^-1•min^-1，
故答案为：溶液pH对该反应的速率有影响；$\frac{2（{c}_{0}-{c}_{1}）}{{t}_{1}}$；
（4）根据铁明矾[Al₂Fe（SO₄）₄•24H₂O]组成分析，Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用，
故答案为：Al³⁺起催化作用；SO₄^2-起催化作用；
（5）要证明Fe²⁺起催化作用，需做对比实验，再做没有Fe²⁺存在时的实验，所以要选K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•24H₂O，注意由于需要控制Al³⁺和SO₄^2-浓度比，不要选用K₂SO₄和Al₂（SO₄）₃；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（Cr₂O₇^2-）大于实验①中c（Cr₂O₇^2-），则假设一成立；若两溶液中的c（Cr₂O₇^2-）相同，则假设一不成立；故答案为：

实验方案	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

点评 本题考查了探究重铬酸根与草酸反应过程中的催化作用，该反应为一比较熟悉的反应，还考查了从图象中获取数据并分析的能力、设计实验的能力等，有一定难度．