題目描述了一項比較Fe3?和Cu2?對過氧化氫(H?O?)分解催化效果的實驗研究。實驗中設計了甲、乙兩種裝置,并提出了相關問題。以下是對題目中兩個問題的具體分析與解答。
(1) 觀察指標與試劑改進的合理性
如圖甲所示的實驗,是通過觀察 反應產生氣泡的快慢 來比較Fe3?和Cu2?的催化效果。這是因為H?O?在催化劑作用下分解的產物是水和氧氣,反應速率越快,單位時間內產生的氧氣氣泡就越多、越密集,從而可以通過視覺直觀地比較氣泡產生的速率來定性判斷催化劑的催化效率。
題目中提到,有同學建議將催化劑FeCl?改為Fe?(SO?)?更為合理。這一建議的核心理由是 控制陰離子相同,排除陰離子的干擾。
在對比實驗中,為了確保實驗結論的準確性,必須遵循“控制變量”的原則。本實驗旨在比較不同金屬陽離子(Fe3?和Cu2?)的催化作用,那么其他可能影響反應速率的因素應盡可能保持一致。如果使用FeCl?和CuSO?,那么體系中同時存在Cl?和SO?2?兩種不同的陰離子。理論上,這些陰離子本身也可能對H?O?的分解產生微弱影響,或者與金屬離子形成不同性質的配合物而間接影響催化活性。使用Fe?(SO?)?后,Fe3?和Cu2?的催化反應都在硫酸根離子的環境中進行,從而排除了因陰離子種類不同而可能帶來的干擾,使實驗對比更純粹,結論更可靠。
(2) H?O?在二氧化錳作用下反應的化學方程式
題目中還要求寫出H?O?在二氧化錳(MnO?)催化作用下發生反應的化學方程式。二氧化錳是過氧化氫分解最經典、最常用的催化劑之一。該反應的化學方程式為:
2H?O? MnO?→ 2H?O + O?↑
這是一個分解反應,二氧化錳作為催化劑,其本身在反應前后的質量和化學性質不變,它降低了反應的活化能,加快了過氧化氫分解為水和氧氣的速率。書寫時應注意標明催化劑MnO?以及氧氣的氣體符號“↑”。
本題綜合考查了對照實驗的設計思想、控制變量法的應用以及對常見催化反應方程式的掌握。通過觀察氣泡產生速率進行定性比較,是化學實驗中判斷氣體產生型反應快慢的常用方法。而在設計對比實驗時,確保除待研究變量外其他條件一致,是得出科學結論的基礎。將FeCl?換為Fe?(SO?)?,正是這一科學思維的體現。