Question

5．某小组利用H₂C₂O₄溶液和酸性KMnO₄溶液反应来探究“条件对化学反应速率的影响”．
【实验原理】2KMnO₄+5H₂C₂O₄+3H₂SO₄═K₂SO₄+2MnSO₄+10CO₂↑+8H₂O
【实验内容及记录】
实验时，先分别量取两种溶液，然后倒入试管中迅速振荡混合均匀，开始计时，通过测定褪色所需时间来判断反应的快慢．该小组设计了如下的方案．

编号	H2C2O4溶液		酸性KMnO4溶液		温度/℃	溶液颜色褪至无色所需时间/s
	浓度 /mol•L-1	体积 /mL	浓度 /mol•L-1	体积 /mL
①	0.10	2.0	0.010	4.0	25	t1
②	0.20	2.0	0.010	4.0	25	t2
③	0.20	2.0	0.010	4.0	50	t3

（1）已知反应后H₂C₂O₄转化为CO₂逸出，KMnO₄转化为MnSO₄，每消耗1mol H₂C₂O₄转移2mol 电子，为了观察到紫色褪去，H₂C₂O₄与KMnO₄初始的物质的量需要满足的关系为：n（H₂C₂O₄）：n（KMnO₄）≥2.5．
（2）探究温度对化学反应速率影响的实验编号是②和③（填编号，下同），可探究反应物浓度对化学反应速率影响的实验编号是①和②．
（3）实验①测得KMnO₄溶液的褪色时间t₁为40s，忽略混合前后溶液体积的微小变化，这段时间内平均反应速率v（KMnO₄）=0.010或1.0×10^-2 mol•L^-1•min^-1．
（4）已知50℃时c（MnO₄^-）～反应时间t的变化曲线如图1．若保持其他条件不变，请在答题卡坐标图中，画出25℃时c（MnO₄^-）～t的变化曲线示意图．

（5）该小组同学根据经验绘制了n（Mn²⁺）随时间变化趋势的示意图，如图2所示．但有同学查阅已有的实验资料发现，该实验过程中n（Mn²⁺）随时间变化的趋势应如图3所示．该小组同学根据图2所示信息提出了新的假设，并继续进行实验探究．
①该小组同学提出的假设是生成物中的MnSO₄为该反应的催化剂（或Mn²⁺对该反应有催化作用）．
②请你帮助该小组同学完成实验方案，并填写表中空白．

编号	H2C2O4溶液		酸性KMnO4溶液		温度 /℃	再向试管中加入少量固体	溶液颜色褪至无色所需时间/s
	浓度 /mol•L-1	体积 /mL	浓度 /mol•L-1	体积 /mL
④	0.10	2.0	0.010	4.0	25	MnSO4	t4

③若该小组同学提出的假设成立，应观察到的现象是与实验1比较，溶液褪色所需时间短或所用时间（t）小于40s．

Answer 1

分析 （1）根据题中信息及化合价升降法配平反应的化学方程式，然后根据电子守恒计算出1mol草酸完全反应转移的电子数；根据“观察到紫色褪去”必须满足高锰酸钾的物质的量小于草酸的物质的量解得二者浓度关系；
（2）根据探究温度对反应速率影响时除了温度外其它条件必须相同判断；根据体积浓度对反应速率影响时除了浓度不同，其他条件必须完全相同分析；
（3）先根据醋酸和高锰酸钾的物质的量判断过量，然后根据不足量及反应速率表达式计算出反应速率；
（4）根据温度降低反应速率减小画出25℃时c（MnO₄^-）～t的变化曲线示意图；
（5）①由图3可知反应开始后锰离子浓度增大，反应速率增加的比较快，所以探究的是硫酸锰在反应中的作用；
②作对比实验时，除了加入MnSO₄不同外，其它量完全相同，据此进行解答；
③若反应加快，说明Mn²⁺是催化剂，反应过程中溶液褪色时间减少．

解答 解：（1）根据反应后H₂C₂O₄转化为CO₂逸出，KMnO₄转化为MnSO₄，利用化合价升降相等写出反应的化学方程式为：2KMnO₄+5H₂C₂O₄+3H₂SO₄=K₂SO₄+2MnSO₄+8H₂O+10CO₂↑；H₂C₂O₄中碳元素的化合价为+3价，变成二氧化碳后化合价总共升高了2（4-3）价，所以每消耗1mol H₂C₂O₄转移2mol电子；为了观察到紫色褪去，高锰酸钾的物质的量应该少量，即c（H₂C₂O₄）：c（KMnO₄）≥$\frac{5}{2}$=2.5，
故答案为：2； 2.5；
（2）探究温度对化学反应速率影响，必须满足除了温度不同，其他条件完全相同，所以满足此条件的实验编号是：②和③；探究反应物浓度对化学反应速率影响，除了浓度不同，其他条件完全相同的实验编号是①和②，
故答案为：②和③； ①和②；
（3）草酸的物质的量为：0.10mol•L^-1×0.002L=0.0002mol，高锰酸钾的物质的量为：0.010mol•L^-1×0.004L=0.00004mol，草酸和高锰酸钾的物质的量之比为：0.0002mol：0.00004mol=5：1，显然草酸过量，高锰酸钾完全反应，混合后溶液中高锰酸钾的浓度为：$\frac{0.010mol•{L}^{-1}×0.004L}{0.002L+0.004L}$=$\frac{2}{3}$×0.010mol/L，
这段时间内平均反应速率v（KMnO₄）=$\frac{\frac{2}{3}×0.010mol•{L}^{-1}}{\frac{40s}{60s•mi{n}^{-1}}}$=0.010mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.010或1.0×10^-2；
（4）25℃时反应速率小于50℃时，所以高锰酸根离子的浓度变化比50℃时小，反应需要的时间大于50℃条件下需要的时间，据此画出25℃时c（MnO₄^-）～t的变化曲线示意图为：，
故答案为：
（5）①由图3可知反应开始后速率增大的比较快，说明生成物中的MnSO₄（或Mn²⁺）为该反应的催化剂，
故答案为：生成物中的MnSO₄为该反应的催化剂（或Mn²⁺对该反应有催化作用）；
②与实验1作对比实验，则加入的硫酸锰的量不同，其它条件必须相同，所以加入的少量固体为MnSO₄，
故答案为：MnSO₄；
③若该小组同学提出的假设成立，则反应速率加快，溶液褪色的时间小于40s，从而说明Mn²⁺是催化剂，
故答案为：与实验1比较，溶液褪色所需时间短（或所用时间（t）小于40s．

点评 本题考查了探究温度、浓度对反应速率的影响、浓度随时间变化的曲线，题目难度中等，注意掌握温度、浓度、压强等对反应速率的影响，试题侧重对学生能力的培养和解题方法的指导与训练，旨在考查学生灵活运用基础知识解决实际问题的能力．