Question

19．用零價(jià)鐵（Fe）去除水體中的硝酸鹽（NO₃^-）已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一．

（1）Fe還原水體中NO₃^-的反應(yīng)原理如圖1所示．
①作負(fù)極的物質(zhì)是鐵．
②正極的電極反應(yīng)式是NO₃^-+8e^-+10H⁺=NH₄⁺+3H₂O．
（2）將足量鐵粉投入水體中，經(jīng)24小時(shí)測定NO₃^-的去除率和pH，結(jié)果如下：

初始pH	pH=2.5	pH=4.5
NO3-的去除率	接近100%	＜50%
24小時(shí)pH	接近中性	接近中性
鐵的最終物質(zhì)形態(tài)

pH=4.5時(shí)，NO₃^-的去除率低．其原因是FeO（OH）不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移．
（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在初始pH=4.5的水體中投入足量鐵粉的同時(shí)，補(bǔ)充一定量的Fe²⁺可以明顯提高NO₃^-的去除率．對(duì)Fe²⁺的作用提出兩種假設(shè)：
Ⅰ．Fe²⁺直接還原NO₃^-；
Ⅱ．Fe²⁺破壞FeO（OH）氧化層．
①做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，可得到的結(jié)論是本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺不能直接還原NO₃^-；在Fe和Fe²⁺共同作用下能提高NO₃^-的去除率．
②同位素示蹤法證實(shí)Fe²⁺能與FeO（OH）反應(yīng)生成Fe₃O₄．結(jié)合該反應(yīng)的離子方程式，解釋加入Fe²⁺提高NO₃^-去除率的原因：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe₃O₄，利于電子轉(zhuǎn)移．
（4）其他條件與（2）相同，經(jīng)1小時(shí)測定NO₃^-的去除率和pH，結(jié)果如表：

初始pH	pH=2.5	pH=4.5
NO3-的去除率	約10%	約3%
1小時(shí)pH	接近中性	接近中性

與（2）中數(shù)據(jù)對(duì)比，解釋（2）中初始pH不同時(shí)，NO₃^-去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同的原因：初始pH低時(shí)，產(chǎn)生的Fe²⁺充足；初始pH高時(shí)，產(chǎn)生的Fe²⁺不足．

Answer 1

分析 （1）①Fe還原水體中NO₃^-，根據(jù)題意Fe₃O₄為電解質(zhì)，則Fe作還原劑，失去電子，作負(fù)極；
②NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH₄⁺，根據(jù)圖2信息可知為酸性環(huán)境；
（2）由于Fe₃O₄為電解質(zhì)，而電解質(zhì)主要作用是為電子轉(zhuǎn)移提供媒介，然后根據(jù)FeO（OH）不導(dǎo)電進(jìn)行分析；
（3）①根據(jù)圖2中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；
②結(jié)合（2）題中的鐵的最終物質(zhì)形態(tài)結(jié)果差異進(jìn)行分析；
（4）根據(jù)Fe²⁺的作用進(jìn)行分析．

解答 解：（1）①Fe還原水體中NO₃^-，則Fe作還原劑，失去電子，作負(fù)極，
故答案為：鐵；
②NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH₄⁺，根據(jù)圖2信息可知為酸性環(huán)境，則正極的電極反應(yīng)式為：NO₃^-+8e^-+10H⁺=NH₄⁺+3H₂O，
故答案為：NO₃^-+8e^-+10H⁺=NH₄⁺+3H₂O；
（2）pH越高，F(xiàn)e³⁺越易水解生成FeO（OH），而FeO（OH）不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移，所以NO₃^-的去除率低．
故答案為：FeO（OH）不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移；
（3）①從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，單獨(dú)加入Fe²⁺時(shí)，NO₃^-的去除率為0，因此得出Fe²⁺不能直接還原NO₃^-；而Fe和Fe²⁺共同加入時(shí)NO₃^-的去除率比單獨(dú)Fe高，因此可以得出結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺不能直接還原NO₃^-；在Fe和Fe²⁺共同作用下能提高NO₃^-的去除率．
故答案為：本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺不能直接還原NO₃^-；在Fe和Fe²⁺共同作用下能提高NO₃^-的去除率；
②同位素示蹤法證實(shí)了Fe²⁺能與FeO（OH）反應(yīng)生成Fe₃O₄，離子方程式為：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe₃O₄，利于電子轉(zhuǎn)移．
故答案為：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe₃O₄，利于電子轉(zhuǎn)移；
（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知Fe²⁺的作用是將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe₃O₄，而NO₃^-的去除率由鐵的最終物質(zhì)形態(tài)確定，因此可知實(shí)驗(yàn)初始pH會(huì)影響Fe²⁺的含量．
故答案為：初始pH低時(shí)，產(chǎn)生的Fe²⁺充足；初始pH高時(shí)，產(chǎn)生的Fe²⁺不足．

點(diǎn)評(píng) 考查化學(xué)反應(yīng)原理，涉及電化學(xué)、氧化還原反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)，題中的Fe與NO₃^-的反應(yīng)跟溶液酸堿性有關(guān)，抓住這一點(diǎn)是解題的關(guān)鍵，第Ⅱ問的解答有一定的難度，特別是闡述上的準(zhǔn)確性．