2025年高中化學知識競賽“化學實驗設計”創(chuàng)意賽試題（一）實驗一：基于氧化還原反應的廢水中重金屬離子檢測與去除方案設計一、實驗背景隨著工業(yè)廢水排放量增加，含銅、鉻等重金屬離子的污水對生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。本實驗要求設計一套基于氧化還原反應的聯(lián)合處理方案，實現(xiàn)對模擬廢水中Cu2?和Cr?O?2?的定性檢測、定量分析及深度去除，并通過控制反應條件實現(xiàn)資源回收。二、實驗原理定性檢測Cr?O?2?在酸性條件下與Fe2?發(fā)生氧化還原反應，生成Cr3?和Fe3?，溶液由橙色變?yōu)榫G色：Cr?O?2?+6Fe2?+14H?=2Cr3?+6Fe3?+7H?O。Cu2?與過量氨水反應生成深藍色[Cu(NH?)?]2?配合物：Cu2?+4NH?·H?O=[Cu(NH?)?]2?+4H?O。定量分析采用高錳酸鉀滴定法測定Fe2?剩余量，間接計算Cr?O?2?濃度：MnO??+5Fe2?+8H?=Mn2?+5Fe3?+4H?O。用EDTA絡合滴定法測定Cu2?濃度，以PAN為指示劑，在pH=10的氨緩沖溶液中生成穩(wěn)定的CuY2?配合物。深度去除與資源回收調(diào)節(jié)溶液pH至8~9，Cr3?和Fe3?生成氫氧化物沉淀：Cr3?+3OH?=Cr(OH)?↓（灰綠色），F(xiàn)e3?+3OH?=Fe(OH)?↓（紅褐色）。向含Cu2?的濾液中加入鐵粉置換銅：Fe+Cu2?=Fe2?+Cu↓，銅單質(zhì)經(jīng)洗滌、干燥后回收。三、實驗儀器與試劑儀器類別具體名稱試劑類別具體名稱定量分析儀器電子天平（0.1mg精度）、酸式滴定管（50mL）、移液管（25mL）標準溶液0.01mol/LKMnO?、0.05mol/LEDTA、0.1mol/LFeSO?反應容器250mL燒杯、100mL錐形瓶、500mL三口燒瓶模擬廢水含Cu2?（50~100mg/L）和Cr?O?2?（20~50mg/L）的混合溶液分離提純儀器布氏漏斗、抽濾瓶、循環(huán)水真空泵、離心管輔助試劑濃H?SO?、濃氨水、NH?Cl-NH?緩沖液（pH=10）、PAN指示劑、鐵粉（分析純）檢測儀器pH計、可見分光光度計（722型）其他廣泛pH試紙、定性濾紙、比色管（50mL）四、實驗步驟（一）定性檢測Cr?O?2?的檢出：取10mL模擬廢水于比色管中，加入2mL濃H?SO?酸化，滴加0.1mol/LFeSO?溶液，振蕩后觀察溶液顏色變化，若由橙色變?yōu)榫G色，證明Cr?O?2?存在。Cu2?的檢出：另取10mL模擬廢水，逐滴加入濃氨水至堿性，若先產(chǎn)生藍色沉淀后溶解為深藍色溶液，證明Cu2?存在。（二）定量分析Cr?O?2?濃度測定移取25.00mL模擬廢水于錐形瓶中，加入5mL濃H?SO?和10mL0.1mol/LFeSO?標準溶液（過量），反應30分鐘后，用0.01mol/LKMnO?標準溶液滴定至溶液呈淡粉色且30秒不褪色，記錄消耗體積V??？瞻讓嶒灒喝?5.00mL蒸餾水，重復上述步驟，記錄消耗體積V?，計算Cr?O?2?濃度：[c(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-})=\frac{(V_0-V_1)\timesc(\text{KMnO}_4)\times5}{2\times25.00}]Cu2?濃度測定移取25.00mL模擬廢水于錐形瓶中，加入5mLNH?Cl-NH?緩沖液（pH=10），滴加3滴PAN指示劑，用0.05mol/LEDTA標準溶液滴定至溶液由紅色變?yōu)榱咙S色，記錄消耗體積V?，計算Cu2?濃度：[c(\text{Cu}^{2+})=\frac{c(\text{EDTA})\timesV_2}{25.00}]（三）深度去除與資源回收Cr3?和Fe3?的沉淀分離取200mL模擬廢水于燒杯中，加入濃H?SO?調(diào)節(jié)pH至2，邊攪拌邊滴加0.1mol/LFeSO?溶液（理論用量的1.2倍），反應1小時后，用濃氨水調(diào)節(jié)pH至8.5，靜置30分鐘，抽濾，保留濾液（含Cu2?）和沉淀（Cr(OH)?與Fe(OH)?混合物）。沉淀用蒸餾水洗滌3次，每次用量10mL，直至濾液中無SO?2?（用BaCl?溶液檢驗），將沉淀轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，于105℃烘箱中干燥2小時，稱重并計算去除率。銅的置換與回收向上述濾液中加入0.5g鐵粉（過量），置于60℃恒溫水浴中攪拌反應30分鐘，觀察到溶液顏色由藍色變?yōu)闇\綠色，底部有紅色固體析出。反應結(jié)束后，離心分離（3000r/min，5分鐘），用0.1mol/LHCl洗滌固體2次（去除殘留鐵粉），再用蒸餾水洗滌至中性，105℃干燥后稱重，計算銅回收率。五、數(shù)據(jù)記錄與處理定性檢測結(jié)果記錄表|檢測項目|實驗現(xiàn)象|結(jié)論||----------------|-----------------------------------|-------------------------------||Cr?O?2?檢出|加入FeSO?和H?SO?后溶液顏色變化|是否存在Cr?O?2?||Cu2?檢出|加入濃氨水后溶液顏色及沉淀變化|是否存在Cu2?|定量分析數(shù)據(jù)處理KMnO?滴定：記錄三次平行實驗的V?（mL），計算平均值及相對平均偏差（需≤0.2%）。EDTA滴定：記錄三次平行實驗的V?（mL），計算Cu2?濃度（保留三位有效數(shù)字）。去除率與回收率計算Cr3?去除率=（處理前Cr?O?2?總量-濾液中Cr3?余量）/處理前Cr?O?2?總量×100%銅回收率=回收銅的實際質(zhì)量/模擬廢水中銅的總質(zhì)量×100%六、注意事項與誤差分析安全操作濃H?SO?和濃氨水具有強腐蝕性，需在通風櫥中操作，滴加時沿燒杯壁緩慢加入，并用玻璃棒不斷攪拌。高錳酸鉀溶液具有強氧化性，滴定管使用后需立即用草酸溶液清洗，避免殘留溶液腐蝕玻璃活塞。關鍵控制條件氧化還原反應需在酸性條件下進行，H?濃度不足會導致Cr?O?2?還原不完全，建議H?SO?濃度控制在0.5~1mol/L。沉淀pH需嚴格控制在8~9，pH過低導致Cr3?沉淀不完全，過高則Cr(OH)?可能溶解為CrO??。誤差來源滴定終點判斷偏差：KMnO?滴定終點為淡粉色，需在光線充足條件下觀察；EDTA滴定中PAN指示劑易受溫度影響，建議滴定溫度不低于25℃。沉淀洗滌不完全：若殘留SO?2?或Cl?，會導致沉淀稱重結(jié)果偏高，需嚴格控制洗滌次數(shù)和洗滌劑用量。七、實驗拓展與創(chuàng)新要求方案優(yōu)化：嘗試用H?O?代替FeSO?作為還原劑，比較兩種方法的Cr去除率和處理成本（H?O?價格約為FeSO?的3倍，但無二次污染）。產(chǎn)物高值化：將Cr(OH)?與Fe(OH)?沉淀在馬弗爐中于800℃煅燒2小時，制備鐵鉻復合氧化物催化劑，用于催化H?O?分解實驗（通過測定O?生成速率評價催化活性）。微型化設計：采用微型滴定裝置（10mL滴定管）和微量移液槍（1mL量程），將試劑用量減少至原方案的1/10，驗證微型實驗的準確性和可行性。八、評分標準（總分100分）評分項目分值評分要點實驗原理闡述15氧化還原反應方程式書寫正確，定量分析方法原理清晰方案設計合理性20步驟邏輯嚴謹，試劑選擇恰當