Question

在我校實驗室實施的揚州市2011年中考化學實驗操作考查剛剛落下帷幕．實驗考查中H₂O₂分解制氧氣為何不采用MnO₂作催化劑？同學們?yōu)橹�展開了探究．
I、他們首先配制實驗所需的50mL、6%的H₂O₂溶液．
[配制溶液]
現(xiàn)有一瓶新購置的雙氧水，標簽如圖所示．
（1）若用這瓶雙氧水來配置6%的醫(yī)用雙氧水1500g，需要這種雙氧水的質量是多少克？
（2）另有一瓶5個月前購進的相同規(guī)格的雙氧水，經檢測，已緩慢分解放出了9.6g氧氣，求現(xiàn)在剩余的該瓶溶液中溶質的質量分數(shù)．
II、然后同學們又比較了各催化劑在室溫下對50mL、6%的H₂O₂溶液分解反應的催化作用情況．
[實驗記錄]各催化劑對50mL、6%的H₂O₂溶液分解反應的催化作用情況（室溫22℃）

催化劑及用量	O2 平均產量	制氧所需時間	成本	反應情況
MnO21.0g	919mL	10′03″	0.11元	分解先快后慢
10%FeCl3溶液5滴	985mL	4′50″	0.02元	均勻產生O2
15%CuSO4溶液5滴	955mL	4′57″	0.03元	均勻產生O2

[實驗分析]由表中數(shù)據(jù)及實驗體驗可以得出，MnO₂ 催化分解H₂O₂制氧氣有兩點不足，①開始反應速率過快，氧氣產生后，發(fā)生裝置內壓強驟然增大，使用分液漏斗滴液往往受阻，收集氧氣排水或排空氣時稍微耽擱，就會有不少O₂ 逸失，到收集最后一瓶O₂反應變慢，耗時太長．②

MnO₂用量多，成本高

．
[提出問題]同學們認為用FeCl₃溶液作催化劑效果最好．但FeCl₃溶液為何能催化分解H₂O₂？
[實驗猜想]已知FeCl₃在水中可解離出Fe³⁺ 和Cl^-，同學們提出以下猜想：
甲同學的猜想是：真正催化分解H₂O₂的是FeCl₃溶液中的H₂O；
乙同學的猜想是：真正催化分解H₂O₂的是FeCl₃溶液中的Fe³⁺；
丙同學的猜想是：真正催化分解H₂O₂的是FeCl₃溶液中的Cl^-；
你認為最不可能的是

甲

 同學的猜想，理由是

過氧化氫溶液中有水

．
同學們對余下的兩個猜想，用實驗進行了探究，請你仔細分析后填空：
[實驗過程1]向盛有5mL、6% H₂O₂溶液的試管中加入少量的HCl溶液，并把帶火星的木條伸入試管．
[實驗現(xiàn)象1]無明顯現(xiàn)象．對應結論：

FeCl₃溶液中的Cl^-不能催化分解H₂O₂

．
[實驗過程2]另向盛有5mL、6%的H₂O₂溶液的試管中加入少量的

Fe（NO₃）₃溶液

，并再次把帶火星的木條伸入試管．
[實驗現(xiàn)象2]

試管中有大量氣泡產生，帶火星的木條復燃

．
對應結論：

起催化作用的是Fe³⁺

．
[拓展研究]
同學們還比較了FeCl₃和CuSO₄兩種鹽對H₂O₂分解的催化效果，他們分成甲、乙兩組，分別設計了如圖一、圖二所示的實驗并進行了實驗．（設兩種鹽溶液的濃度等條件相同）

（1）指出儀器名稱：A

分液漏斗

   B

錐形瓶

（2）寫出以FeCl₃為催化劑的反應的化學方程式

2H₂O₂

FeCl3  .

2H₂O+O₂↑

．
（3）圖一可通過觀察

反應產生氣泡快慢

來定性比較得出結論．有同學提出將藥品CuSO₄改為CuCl₂更為合理，其理由是

使酸根相同，排除酸根的影響因素

，你認為藥品還可以作何改進？

將FeCl₃改為Fe₂（SO₄）₃

．
（4）檢查圖二裝置氣密性的方法是：

關閉

（填“打開”或“關閉”）儀器A的活塞，將注射器活塞拉出一定距離，一段時間后松開活塞，觀察到活塞又回到了原位，則說明裝置氣密性

良好

（填“良好”或“不好”）．該組同學利用圖二所示實驗需測量的數(shù)據(jù)是

A

（填序號：A．一定時間內收集到的氣體體積    B．收集一定體積的氣體所需雙氧水的質量）．
研究小組還對溶液濃度、溫度等實驗條件進行了探究．下表選取了部分實驗數(shù)據(jù)：
用足量等體積H₂O₂溶液制取相同體積O₂所需的時間

濃度 時間（min） 條件	30% H2O2	15% H2O2	5% H2O2
加入a g MnO2	0.2	0.8	2.0

[交流討論]從上表中還能得出的結論是：

H₂O₂溶液的質量分數(shù)越大產生氧氣的速率越快

．

Answer 1

分析：I、（1）根據(jù)溶質質量分數(shù)的計算公式進行計算；
（2）根據(jù)過氧化氫分解的方程式，由氧氣的質量求出過氧化氫的質量，再有溶質質量分數(shù)的計算公式進行計算；
II、[實驗記錄]根據(jù)MnO₂、FeCl₃、CuSO₄三種催化劑的用量及成本分析MnO₂的缺點；
[實驗猜想]根據(jù)過氧化氫溶液中含有水，分析最不可能的猜想；
[實驗現(xiàn)象1]根據(jù)實驗的現(xiàn)象分析結論；
[實驗過程2]為了Fe³⁺驗證對的H₂O₂的催化分解，可向H₂O₂溶液中加入少量的Fe（NO₃）₃溶液；
[實驗現(xiàn)象2]根據(jù)實驗的現(xiàn)象分析結論；
[拓展研究]
（1）熟悉常用儀器的名稱和用途；
（2）根據(jù)反應物、生成物及反應條件寫出反應的方程式；
（3）根據(jù)圖一的實驗，通過觀察產生氣泡的快來比較催化效果；根據(jù)CuSO₄和FeCl₃的酸根不同分析；
（4）根據(jù)大氣壓內外相等來檢驗裝置的氣密性，利用注射器可以測定出生成的氧氣的體積．
[交流討論]根據(jù)表中數(shù)據(jù)比較過氧化氫的質量分數(shù)與產生氧氣的快慢．

解答：解：I、（1）設需要10%雙氧水的質量是X，則X×10%=1500g×6%  解得：X=900g；
（2）設生成9.6g氧氣需要過氧化氫的質量為Y，
2H₂O₂

MnO2  .

2H₂O+O₂↑
 68              32
 Y              9.6g

68

32

=

Y

9.6g

   解得：Y=20.4g
現(xiàn)在剩余的該瓶溶液中溶質的質量分數(shù)為：

1000g×10%-20.4g

1000g-20.4

×100%=8.65%
II、[實驗記錄]由MnO₂、FeCl₃、CuSO₄三種催化劑的用量及成本分析MnO₂的缺點是：MnO₂用量多，成本高；
[實驗猜想]由過氧化氫溶液中含有水可知，最不可能的是甲同學的猜想，理由是過氧化氫溶液中有水；
[實驗現(xiàn)象1]由向H₂O₂溶液的試管中加入少量的HCl溶液，不能使帶火星的木條復燃可知，F(xiàn)eCl₃溶液中的Cl^-不能催化分解H₂O₂；
[實驗過程2]為了驗證Fe³⁺對H₂O₂的催化分解，另向盛有5mL、6%的H₂O₂溶液的試管中加入少量的Fe（NO₃）₃溶液；
[實驗現(xiàn)象2]試管中有大量氣泡產生，帶火星的木條復燃；對應結論：起催化作用的是Fe³⁺；
[拓展研究]
（1）右圖是可知標號儀器的名稱是A是分液漏斗，B是錐形瓶；
（2）以FeCl₃為催化劑的2H₂O₂分解反應的化學方程式是：2H₂O₂

FeCl3  .

2H₂O+O₂↑；
（3）由反應產生氣泡快慢來比較催化效果，由于CuSO₄和FeCl₃的酸根不同；為了排除酸根離子的不同帶來的干擾，可以將將FeCl₃改為Fe₂（SO₄）₃；
（4）由裝置的特點及壓強的變化可知，檢查圖二裝置氣密性的方法是：關閉儀器A的活塞，將注射器活塞拉出一定距離，一段時間后松開活塞，觀察到活塞又回到了原位，則說明裝置氣密性良好．該組同學利用圖二所示實驗需測量的數(shù)據(jù)是一定時間內收集到的氣體體積；
[交流討論]由表中的數(shù)據(jù)可知，H₂O₂溶液的質量分數(shù)越大產生氧氣的速率越快．
故答為：I、[配制溶液]（1）900g；（2）8.65%；II、[實驗記錄]MnO₂用量多，成本高；[實驗猜想]甲，過氧化氫溶液中有水；[實驗現(xiàn)象1]FeCl₃溶液中的Cl^-不能催化分解H₂O₂；[實驗過程2]Fe（NO₃）₃溶液；[實驗現(xiàn)象2]試管中有大量氣泡產生，帶火星的木條復燃，起催化作用的是Fe³⁺；[拓展研究]（1）分液漏斗，B是錐形瓶；
（2）2H₂O₂

FeCl3  .

2H₂O+O₂↑；（3）反應產生氣泡快慢，使酸根相同，排除酸根的影響因素，將FeCl₃改為Fe₂（SO₄）₃；（4）關閉，良好，A；[交流討論]H₂O₂溶液的質量分數(shù)越大產生氧氣的速率越快．

點評：本題是一道實驗探究、計算等的綜合題，全面地考查了學生的實驗、計算的能力，只有全面地掌握了有 關的化學知識才能完成本題．