Question

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

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

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

pH=4.5時，NO₃^-的去除率低．其原因是FeO（OH）不導電，阻礙電子轉移．
（3）實驗發(fā)現(xiàn)：在初始pH=4.5的水體中投入足量鐵粉的同時，補充一定量的Fe²⁺可以明顯提高NO₃^-的去除率．對Fe²⁺的作用提出兩種假設：
Ⅰ．Fe²⁺直接還原NO₃^-；
Ⅱ．Fe²⁺破壞FeO（OH）氧化層．
①做對比實驗，結果如圖2所示，可得到的結論是本實驗條件下，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Fe²⁺能與FeO（OH）反應生成Fe₃O₄．結合該反應的離子方程式，解釋加入Fe²⁺提高NO₃^-去除率的原因：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導電的FeO（OH）轉化為可導電的Fe₃O₄，利于電子轉移．
（4）其他條件與（2）相同，經(jīng)1小時測定NO₃^-的去除率和pH，結果如表：

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

與（2）中數(shù)據(jù)對比，解釋（2）中初始pH不同時，NO₃^-去除率和鐵的最終物質形態(tài)不同的原因：初始pH低時，產(chǎn)生的Fe²⁺充足；初始pH高時，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，則Fe作還原劑，失去電子，作負極；
②NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應產(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，而電解質主要作用是為電子轉移提供媒介，然后根據(jù)FeO（OH）不導電進行分析；
（3）①根據(jù)圖2中的三個實驗結果進行分析；
②結合（2）題中的鐵的最終物質形態(tài)結果差異進行分析；
（4）根據(jù)Fe²⁺的作用進行分析．

解答 解：（1）①Fe還原水體中NO₃^-，則Fe作還原劑，失去電子，作負極，
故答案為：鐵；
②NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應產(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）不導電，阻礙電子轉移，所以NO₃^-的去除率低．
故答案為：FeO（OH）不導電，阻礙電子轉移；
（3）①從圖2的實驗結果可以看出，單獨加入Fe²⁺時，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NO₃^-的去除率比單獨Fe高，因此可以得出結論：本實驗條件下，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：本實驗條件下，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同位素示蹤法證實了Fe²⁺能與FeO（OH）反應生成Fe₃O₄，離子方程式為：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導電的FeO（OH）轉化為可導電的Fe₃O₄，利于電子轉移．
故答案為：Fe²⁺+2FeO（OH）=Fe₃O₄+2H⁺，F(xiàn)e²⁺將不導電的FeO（OH）轉化為可導電的Fe₃O₄，利于電子轉移；
（4）根據(jù)實驗結果可知Fe²⁺的作用是將不導電的FeO（OH）轉化為可導電的Fe₃O₄，而NO₃^-的去除率由鐵的最終物質形態(tài)確定，因此可知實驗初始pH會影響Fe²⁺的含量．
故答案為：初始pH低時，產(chǎn)生的Fe²⁺充足；初始pH高時，產(chǎn)生的Fe²⁺不足．

點評 考查化學反應原理，涉及電化學、氧化還原反應等相關知識，題中的Fe與NO₃^-的反應跟溶液酸堿性有關，抓住這一點是解題的關鍵，第Ⅱ問的解答有一定的難度，特別是闡述上的準確性．