Question

19．回歸、改進、拓展教材實驗，是高考化學實驗考查的常見形式．
I．甲組同學在進行《必修二》實驗2-5“Fe³⁺離子在H₂O₂溶液分解實驗中的催化作用”時，進行了以下探究．基于目前學過的元素周期表的相關知識，該小組推測了同為第四周期第VIII族的Fe、Co、Ni可能有相似的催化機理．
【查閱資料】：鈷及其化合物廣泛應用于磁性材料、電池材料及超硬材料等領域．其中Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄（其中Co、Ni均為+2價）也可用作H₂O₂分解的催化劑，具有較高的活性．
（1）寫出H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解的化學方程式2H₂O₂$\frac{\underline{\;三價鐵離子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑．
（2）①該催化劑中鐵元素的化合價為+3．
②如圖表示兩種不同方法制得的催化劑Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄在10℃時催化分解6%的H₂O₂溶液的相對初始速率隨x變化曲線．由圖中信息可知：微波水熱法制取得到的催化劑活性更高，由此推測Co²⁺、Ni²⁺兩種離子中催化效果更好的是Co²⁺．

II．乙組同學在進行《選修四》實驗2-2“草酸溶液濃度對酸性高錳酸鉀溶液褪色時間的影響”時，發(fā)現(xiàn)溶液褪色總是先慢后快，該小組設計了如下過程探究其原因：
【查閱資料】KMnO₄溶液氧化H₂C₂O₄的反應歷程為（流程中“III”等為Mn的價態(tài)）：

【提出假設】假設1：該反應為放熱反應
假設2：反應生成的Mn²⁺對該反應有催化作用
假設3：K⁺對該反應有催化作用
【設計、完成實驗】
（3）稱取6.3g草酸晶體（H₂C₂O₄•2H₂O），配制500mL 0.10mol/L H₂C₂O₄溶液．在上述過程中必須用到的2種定量儀器是托盤天平和500mL容量瓶
（4）完成探究，記錄數(shù)據(jù)

實驗 編號	燒杯中所加試劑及用量（mL）				控制條件	溶液褪色時間（s）
	0.10 mol/L H2C2O4溶液	等濃度 KMnO4溶液	H2O	0.50 mol/L 稀硫酸
1	30	20	30	20	\	18
2	30	20	30	20	水浴控制溫度65℃	15
3	30	20	30	20	加入少量MnSO4固體	3.6
4	30	20	x	20	加入5 mL 0.10 mol/L K2SO4溶液	18

仔細閱讀分析表中數(shù)據(jù)，回答問題：
x=25mL，假設2成立（填“1”、“2”或“3”）

Answer 1

分析 I．（1）H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解產(chǎn)生水和氧氣；
（2）①根據(jù)化合價代數(shù)和為0計算Fe的化合價；
②過氧化氫的分解速率越大，催化劑活性更高；隨x值越大，過氧化氫的分解速率越大，而x增大，Co²⁺的比例增大；
Ⅱ．（3）根據(jù)n=CV 和m=nM來計算；根據(jù)配制一定物質的量濃度的溶液的步驟是：計算、稱量、溶解、移液、洗滌、定容、搖勻來選擇使用的儀器；
（4）利用控制變量法來探究K⁺對該反應有無催化作用，從而得出加入水的體積；通過溶液褪色的時間來分析假設的成立與否．

解答 解：I．（1）H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解產(chǎn)生水和氧氣，方程式為：2H₂O₂$\frac{\underline{\;三價鐵離子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，
故答案為：2H₂O₂$\frac{\underline{\;三價鐵離子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；
（2）①Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄中Co、Ni均為+2，O為-2價，則Fe的化合價為$\frac{4×2-（2x+2-2x）}{2}$=+3，
故答案為：+3；
②過氧化氫的分解速率越大，催化劑活性更高，根據(jù)圖象可知，x相同時，微波水熱法初始速度大于常規(guī)水熱法，故微波水熱法制得催化劑的活性更高；
由圖可知，隨x值越大，過氧化氫的分解速率越大，而x增大，Co²⁺的比例增大，故Co²⁺的催化活性更高，
故答案為：微波水熱；Co²⁺；
Ⅱ．（3）配制500mL 0.10mol/L H₂C₂O₄溶液，所需的草酸的物質的量n=CV=0.5L×0.10mol/L=0.05mol，即需要的草酸晶體（H₂C₂O₄•2H₂O）的物質的量為0.05mol，質量m=nM=0.05mol×126g/mol=6.3g；配制過程中用到的儀器是：托盤天平、燒杯、玻璃棒、500mL容量瓶、膠頭滴管，其中用到的2種定量儀器是托盤天平和500mL容量瓶，故答案為：6.3；500mL容量瓶；
（4）若要探究K⁺對該反應有無催化作用，必須保持其他的影響因素如H₂C₂O₄的濃度、KMnO₄的濃度以及稀硫酸的濃度與實驗1是相同的，而H₂C₂O₄、KMnO₄以及稀硫酸的加入的物質的量相同，故若使?jié)舛认嗤�，則必須溶液體積與實驗1相同，故加入的水的體積X=25mL，根據(jù)溶液褪色的時間可以看出，Mn²⁺對該反應有催化作用，導致反應速率加快，溶液褪色的時間縮短，故假設2是成立的，
故答案為：25；2．

點評 本題考查元素化合價的判斷、對圖象的分析處理以及溫度、催化劑對反應速率的影響、氧化還原反應滴定的有關計算，綜合性較強，難度適中．