Question

19．回归、改进、拓展教材实验，是高考化学实验考查的常见形式．
I．甲组同学在进行《必修二》实验2-5“Fe³⁺离子在H₂O₂溶液分解实验中的催化作用”时，进行了以下探究．基于目前学过的元素周期表的相关知识，该小组推测了同为第四周期第VIII族的Fe、Co、Ni可能有相似的催化机理．
【查阅资料】：钴及其化合物广泛应用于磁性材料、电池材料及超硬材料等领域．其中Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄（其中Co、Ni均为+2价）也可用作H₂O₂分解的催化剂，具有较高的活性．
（1）写出H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解的化学方程式2H₂O₂$\frac{\underline{\;三价铁离子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑．
（2）①该催化剂中铁元素的化合价为+3．
②如图表示两种不同方法制得的催化剂Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄在10℃时催化分解6%的H₂O₂溶液的相对初始速率随x变化曲线．由图中信息可知：微波水热法制取得到的催化剂活性更高，由此推测Co²⁺、Ni²⁺两种离子中催化效果更好的是Co²⁺．

II．乙组同学在进行《选修四》实验2-2“草酸溶液浓度对酸性高锰酸钾溶液褪色时间的影响”时，发现溶液褪色总是先慢后快，该小组设计了如下过程探究其原因：
【查阅资料】KMnO₄溶液氧化H₂C₂O₄的反应历程为（流程中“III”等为Mn的价态）：

【提出假设】假设1：该反应为放热反应
假设2：反应生成的Mn²⁺对该反应有催化作用
假设3：K⁺对该反应有催化作用
【设计、完成实验】
（3）称取6.3g草酸晶体（H₂C₂O₄•2H₂O），配制500mL 0.10mol/L H₂C₂O₄溶液．在上述过程中必须用到的2种定量仪器是托盘天平和500mL容量瓶
（4）完成探究，记录数据

实验 编号	烧杯中所加试剂及用量（mL）				控制条件	溶液褪色时间（s）
	0.10 mol/L H2C2O4溶液	等浓度 KMnO4溶液	H2O	0.50 mol/L 稀硫酸
1	30	20	30	20	\	18
2	30	20	30	20	水浴控制温度65℃	15
3	30	20	30	20	加入少量MnSO4固体	3.6
4	30	20	x	20	加入5 mL 0.10 mol/L K2SO4溶液	18

仔细阅读分析表中数据，回答问题：
x=25mL，假设2成立（填“1”、“2”或“3”）

Answer 1

分析 I．（1）H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解产生水和氧气；
（2）①根据化合价代数和为0计算Fe的化合价；
②过氧化氢的分解速率越大，催化剂活性更高；随x值越大，过氧化氢的分解速率越大，而x增大，Co²⁺的比例增大；
Ⅱ．（3）根据n=CV 和m=nM来计算；根据配制一定物质的量浓度的溶液的步骤是：计算、称量、溶解、移液、洗涤、定容、摇匀来选择使用的仪器；
（4）利用控制变量法来探究K⁺对该反应有无催化作用，从而得出加入水的体积；通过溶液褪色的时间来分析假设的成立与否．

解答 解：I．（1）H₂O₂溶液在Fe³⁺催化下分解产生水和氧气，方程式为：2H₂O₂$\frac{\underline{\;三价铁离子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，
故答案为：2H₂O₂$\frac{\underline{\;三价铁离子\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；
（2）①Co_xNi_（1-x）Fe₂O₄中Co、Ni均为+2，O为-2价，则Fe的化合价为$\frac{4×2-（2x+2-2x）}{2}$=+3，
故答案为：+3；
②过氧化氢的分解速率越大，催化剂活性更高，根据图象可知，x相同时，微波水热法初始速度大于常规水热法，故微波水热法制得催化剂的活性更高；
由图可知，随x值越大，过氧化氢的分解速率越大，而x增大，Co²⁺的比例增大，故Co²⁺的催化活性更高，
故答案为：微波水热；Co²⁺；
Ⅱ．（3）配制500mL 0.10mol/L H₂C₂O₄溶液，所需的草酸的物质的量n=CV=0.5L×0.10mol/L=0.05mol，即需要的草酸晶体（H₂C₂O₄•2H₂O）的物质的量为0.05mol，质量m=nM=0.05mol×126g/mol=6.3g；配制过程中用到的仪器是：托盘天平、烧杯、玻璃棒、500mL容量瓶、胶头滴管，其中用到的2种定量仪器是托盘天平和500mL容量瓶，故答案为：6.3；500mL容量瓶；
（4）若要探究K⁺对该反应有无催化作用，必须保持其他的影响因素如H₂C₂O₄的浓度、KMnO₄的浓度以及稀硫酸的浓度与实验1是相同的，而H₂C₂O₄、KMnO₄以及稀硫酸的加入的物质的量相同，故若使浓度相同，则必须溶液体积与实验1相同，故加入的水的体积X=25mL，根据溶液褪色的时间可以看出，Mn²⁺对该反应有催化作用，导致反应速率加快，溶液褪色的时间缩短，故假设2是成立的，
故答案为：25；2．

点评 本题考查元素化合价的判断、对图象的分析处理以及温度、催化剂对反应速率的影响、氧化还原反应滴定的有关计算，综合性较强，难度适中．