2025年高中化學(xué)知識競賽“化學(xué)實驗設(shè)計”創(chuàng)意賽試題（三）實驗設(shè)計題：基于氧化還原反應(yīng)的水質(zhì)檢測與處理方案設(shè)計背景：某工業(yè)園區(qū)附近的河流水體因潛在工業(yè)污染導(dǎo)致溶解氧（DO）含量異常，同時可能含有Fe2?、Mn2?等還原性重金屬離子及過量氨氮。請設(shè)計一套實驗方案，完成以下任務(wù)：測定水樣中溶解氧的含量；定性檢驗水樣中是否存在Fe2?、Mn2?；設(shè)計一個基于氧化還原原理的簡易處理裝置，將Fe2?氧化為Fe3?以形成沉淀去除。一、實驗原理與儀器試劑（一）溶解氧測定原理采用碘量法：在堿性條件下，Mn2?與OH?反應(yīng)生成Mn(OH)?沉淀，該沉淀被水中溶解氧氧化為棕色的MnO(OH)?。加入H?和I?后，MnO(OH)?將I?氧化為I?，再用Na?S?O?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定I?，根據(jù)消耗的Na?S?O?體積計算溶解氧含量。反應(yīng)方程式如下：2Mn2?+O?+4OH?=2MnO(OH)?↓（棕色）MnO(OH)?+2I?+4H?=Mn2?+I?+3H?OI?+2S?O?2?=2I?+S?O?2?（二）Fe2?、Mn2?定性檢驗原理Fe2?檢驗：在酸性條件下與K?[Fe(CN)?]反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀（滕氏藍(lán)）：3Fe2?+2[Fe(CN)?]3?=Fe?[Fe(CN)?]?↓。Mn2?檢驗：在HNO?酸化下與NaBiO?反應(yīng)，Mn2?被氧化為紫紅色的MnO??：2Mn2?+5NaBiO?+14H?=2MnO??+5Bi3?+5Na?+7H?O。（三）主要儀器與試劑儀器：250mL溶解氧瓶、酸式滴定管、錐形瓶、燒杯、玻璃棒、漏斗、自制氧化裝置（見第三部分）。試劑：MnSO?溶液（2mol/L）、堿性KI溶液（含NaOH500g/L+KI150g/L）、H?SO?溶液（1:1）、Na?S?O?標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01mol/L，需標(biāo)定）、淀粉指示劑（1%）、K?[Fe(CN)?]溶液（0.1mol/L）、NaBiO?固體、HNO?（濃）、H?O?溶液（3%）、活性炭顆粒。二、實驗步驟（一）溶解氧的測定水樣采集：用溶解氧瓶取河水樣，確保無氣泡，立即加入1mLMnSO?溶液和2mL堿性KI溶液，蓋緊瓶塞（瓶內(nèi)不得留有氣泡），顛倒搖勻，靜置5分鐘，待棕色沉淀降至瓶底。滴定準(zhǔn)備：打開瓶塞，沿瓶壁加入1mLH?SO?溶液（1:1），立即蓋緊搖勻，至沉淀完全溶解。取100mL此溶液于錐形瓶中，用Na?S?O?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淺黃色，加入2滴淀粉指示劑，繼續(xù)滴定至藍(lán)色恰好褪去，記錄消耗的Na?S?O?體積（V，單位：mL）。計算：溶解氧（mg/L）=(c×V×8×1000)/V水樣，其中c為Na?S?O?濃度（mol/L），8為O?的摩爾質(zhì)量（g/mol）。（二）Fe2?、Mn2?的定性檢驗Fe2?檢驗：取5mL水樣于試管中，加入2滴H?SO?（1:1）酸化，滴加3滴K?[Fe(CN)?]溶液，若出現(xiàn)藍(lán)色沉淀，表明存在Fe2?。Mn2?檢驗：取5mL水樣于試管中，加入1mL濃HNO?酸化，加入少量NaBiO?固體，振蕩，若溶液呈紫紅色，表明存在Mn2?。（三）基于氧化還原原理的Fe2?處理裝置設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)：反應(yīng)柱：取一支20cm長的玻璃管，下端塞棉花，依次裝入3cm厚活性炭層（吸附雜質(zhì)）、5cm厚“活性炭-H?O?混合層”（活性炭作為催化劑，H?O?為氧化劑），上端用棉花封口。進樣方式：將含F(xiàn)e2?的水樣通過分液漏斗緩慢滴入反應(yīng)柱，下端用燒杯接流出液。處理原理：在酸性條件下，H?O?將Fe2?氧化為Fe3?：2Fe2?+H?O?+2H?=2Fe3?+2H?O。Fe3?在中性條件下會水解生成Fe(OH)?沉淀，可通過后續(xù)過濾去除。驗證處理效果：取流出液，用K?[Fe(CN)?]溶液檢驗Fe2?是否存在，若不產(chǎn)生藍(lán)色沉淀，表明處理成功。三、數(shù)據(jù)記錄與處理（一）溶解氧測定數(shù)據(jù)實驗次數(shù)Na?S?O?濃度（mol/L）水樣體積（mL）消耗Na?S?O?體積（mL）溶解氧（mg/L）平均值（mg/L）10.010010012.5010.009.9520.010010012.459.9630.010010012.409.92（二）定性檢驗結(jié)果記錄表檢測項目實驗現(xiàn)象結(jié)論Fe2?藍(lán)色沉淀存在Mn2?溶液呈紫紅色存在四、注意事項與誤差分析溶解氧測定誤差來源：水樣采集時若有氣泡，會導(dǎo)致DO值偏高；滴定終點判斷延遲（淀粉指示劑加入過早）會導(dǎo)致V偏大，結(jié)果偏高。安全注意事項：NaBiO?具有強氧化性，避免與皮膚接觸；H?O?溶液需避光保存，使用時遠(yuǎn)離火源。裝置優(yōu)化建議：可在反應(yīng)柱后串聯(lián)一個裝有Ca(OH)?的干燥管，以中和過量H?，促進Fe3?水解沉淀；若水樣中Mn2?濃度較高，可加入適量MnO?作為催化劑，加速H?O?對Mn2?的氧化。五、實驗拓展與創(chuàng)新點微型化改進：將溶解氧測定中100mL水樣改為25mL，可減少試劑用量（如Na?S?O?消耗降至3mL左右），實現(xiàn)“微型化學(xué)實驗”。多功能處理：若水樣中同時存在還原性有機物（如苯酚），可在活性炭層中摻雜TiO?，利用紫外光催化H?O?產(chǎn)生·OH，同步氧化有機物和Fe2?。數(shù)據(jù)可視化：使用溶解氧傳感器替代滴定法，實時監(jiān)測DO值變化，繪制處理前后DO曲線對比圖。參考答案與評分標(biāo)準(zhǔn)（供閱卷用）一、實驗原理（20分）碘量法測定DO的反應(yīng)方程式正確（5分）；Fe2?、Mn2?檢驗原理正確（各5分）；處理裝置中H?O?氧化Fe2?的原理正確（5分）。二、實驗步驟（30分）溶解氧測定步驟完整（取樣、滴定、計算各5分）；定性檢驗操作規(guī)范（酸化、試劑選擇各5分）；處理裝置設(shè)計合理（活性炭催化H?O?的作用描述5分）。三、數(shù)據(jù)處理與誤差分析（20分）溶解氧計算公式正確（5分）；定性檢驗現(xiàn)象與結(jié)論對應(yīng)（5分）；誤差來源分析合