Question

16．食鹽中的抗結劑是亞鐵氰化鉀，其化學式為K₄[Fe（CN）₆]•3H₂O2g K₄[Fe（CN）₆]•3H₂O（M=422g/mol）樣品受熱脫水過程的熱重曲線（樣品質量隨溫度的變化曲線）如圖1所示．
（1）試確定150℃時固體物質的化學式為K₄[Fe（CN）₆]．
（2）在25℃下，將a mol•L^-1的KCN（pH＞7）溶液與0.01mol•L^-1的鹽酸等體積混合，反應平衡時，測得溶液pH=7，則KCN溶液的物質的量濃度a＞0.01mol•L^-1（填“＞”、“＜”或“=”）；用含a的代數式表示HCN的電離常數K_a=（100a-1）×10^-7 mol•L^-1．
（3）在Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用下，可實現2SO₂+O₂+2H₂O═2H₂SO₄的轉化．已知，含SO₂的廢氣通入Fe²⁺、Fe³⁺的溶液時，其中一個反應的離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，則另一反應的離子方程式為2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺．
（4）不同濃度的硫酸與鋅反應時，硫酸可以被還原為SO₂，也可被還原為氫氣．為了驗證這一事實，某同學擬用如圖2裝置進行實驗（實驗時壓強為10lkPa，溫度為0℃）．
（Ⅰ）若在燒瓶中投入d g鋅，加入一定量的c mol/L 濃硫酸V L，充分反應后鋅有剩余，測得氫氧化鈉洗氣瓶增重mg，則整個實驗過程產生的氣體中n（H₂）=（cV-$\frac{m}{32}$）mol（用含字母的代數式表示）．若撤走盛有無水氯化鈣的U型管，n（SO₂）：n（H₂）的數值將偏大（填偏大、偏小或無影響）
（Ⅱ）在硫酸中加入硫酸銅可以加快氫氣的生成速率的原因：鋅和銅構成原電池，加快反應速率
（Ⅲ）為進一步探究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響，某同學設計如下一系列實驗，將表中所給的混合溶液分別加入到5個盛有過量Zn粒的反應瓶中．

實驗 溶液	A	B	C	D	E
5mol/LH2SO4 mL	40	V1	V2	V3	V4
飽和CuSO4液  mL	0	1	2	V5	10
H2O  mL	V6	V7	V8	5	0

①完成此實驗設計，其中V₅=5，V₇=9
②為探究氫氣生成速率要收集產生的氣體，還需記錄：收集等體積氣體所需時間．

Answer 1

分析 （1）42.2g K₄[Fe（CN）₆]•3H₂O的物質的量為0.1mol，含有結晶水質量為0.1mol×3×18g/mol=5.4g，而150℃時固體物質的質量為36.8g，質量減少為42.2g-36.8g=5.4g，故150℃完全失去結晶水；
（2）發(fā)生反應：KCN+HCl═KCl+HCN，若是等濃度，生成HCN應該呈酸性，而反應后PH=7呈中性，說明KCN有剩余（KCN水解呈堿性）；
HCN?H⁺+CN^-的電離平衡常數Ka=$\frac{c（{H}^{+}）×c（C{N}^{-}）}{c（HCN）}$，溶液呈中性，則c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol/L，由電荷守恒c（H⁺）+c（K⁺）=c（CN^-）+c（Cl^-）+c（OH^-），故c（K⁺）=c（CN^-）+c（Cl^-），則c（CN^-）=（0.5a-0.005）mol/L，根據物料守恒c（HCN）=0.5amol/L-c（CN^-）=0.005mol/L，代入電離平衡常數表達式計算；
（3）催化劑的特點，恢復原來狀態(tài)，則Fe³⁺→Fe²⁺，故Fe³⁺將SO₂氧化為硫酸；
（4）（I）氫氧化鈉溶液吸收二氧化硫，根據Zn+2H₂SO₄（濃）=ZnSO₄+SO₂↑+2H₂O計算生成二氧化硫消耗硫酸物質的量，計算與Zn反應生成氫氣的硫酸物質的量，根據Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑計算生成氫氣；
若撤走盛有無水氯化鈣的U型管，混合氣體中的水蒸氣進入氫氧化鈉溶液，導致洗氣瓶增重量增大，測定二氧化硫的質量偏大；
（Ⅱ）構成鋅銅--硫酸原電池，加快反應速率；
（Ⅲ）①Zn過量，探究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響，應使每組實驗最終溶液中硫酸的濃度一致，可取同量的硫酸，而硫酸銅和水的體積之和相同；
②根據生成相同體積的氫氣所需時間可以判斷反應速率．

解答 解：（1）42.2g K₄[Fe（CN）₆]•3H₂O的物質的量為0.1mol，含有結晶水質量為0.1mol×3×18g/mol=5.4g，而150℃時固體物質的質量為36.8g，質量減少為42.2g-36.8g=5.4g，故150℃完全失去結晶水，則150℃時固體物質的化學式為：K₄[Fe（CN）₆]，
故答案為：K₄[Fe（CN）₆]；
（2）發(fā)生反應：KCN+HCl═KCl+HCN，若是等濃度，生成HCN應該呈酸性，而反應后PH=7呈中性，說明KCN有剩余（KCN水解呈堿性），所以a＞0.01mol/L；
HCN?H⁺+CN^-的電離平衡常數Ka=$\frac{c（{H}^{+}）×c（C{N}^{-}）}{c（HCN）}$，溶液呈中性，則c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol/L，由電荷守恒c（H⁺）+c（K⁺）=c（CN^-）+c（Cl^-）+c（OH^-），故c（K⁺）=c（CN^-）+c（Cl^-），則c（CN^-）=（0.5a-0.005）mol/L，根據物料守恒c（HCN）=0.5amol/L-c（CN^-）=0.005mol/L，則Ka=$\frac{c（{H}^{+}）×c（C{N}^{-}）}{c（HCN）}$=$\frac{1{0}^{-7}×（0.5a-0.005）}{0.005}$mol•L^-1 =（100a-1）×10^-7 mol•L^-1
故答案為：＞；（100a-1）×10^-7 mol•L^-1；
（3）催化劑的特點，恢復原來狀態(tài)，則Fe³⁺→Fe²⁺，故Fe³⁺將SO₂氧化為硫酸，反應離子方程式為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，
故答案為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺；
（4）（I）氫氧化鈉溶液吸收二氧化硫，則生成二氧化硫為$\frac{m}{64}$mol，
由Zn+2H₂SO₄（濃）=ZnSO₄+SO₂↑+2H₂O，消耗硫酸為$\frac{m}{32}$mol，
則生成氫氣的硫酸為cV mol-$\frac{m}{32}$mol=（cV-$\frac{m}{32}$）mol，
根據Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑可知，生成氫氣體為（cV-$\frac{m}{32}$）mol，
若撤走盛有無水氯化鈣的U型管，混合氣體中的水蒸氣進入氫氧化鈉溶液，導致洗氣瓶增重量增大，測定二氧化硫的質量偏大，則生成氫氣物質的量偏小，n（SO₂）：n（H₂）的數值將偏大，
故答案為：（cV-$\frac{m}{32}$）mol；偏大；
（Ⅱ）Zn置換出Cu，形成Zn|H₂SO₄（aq）|Cu原電池，從而使反應速率加快，
故答案為：鋅和銅構成原電池，加快反應速率；
（Ⅲ）①Zn過量，探究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響，應使每組實驗最終溶液中硫酸的濃度一致，可取同量的硫酸，而硫酸銅和水的體積之和相同，即V₁=V₂=V₃=V₄=40，由E組可知酸銅和水的體積之和為10 mL，所以V₅=5、V₇=9，
故答案為：5；9；
②根據生成相同體積的氫氣所需時間可以判斷反應速率，為探究氫氣生成速率要收集產生的氣體，還需記錄：收集等體積氣體所需時間，
故答案為：收集等體積氣體所需時間．

點評 本題考查反應速率探究實驗、化學方程式計算、弱電解質電離等，是對學生綜合能力的考查，需要學生具備扎實的基礎，注意利用控制變量法進行反應速率影響因素探究，難度較大．