Question

【题目】(一)在微生物作用的条件下，NH4+经过两步反应被氧化成 NO3-。两步反应的能量变化示意图如下：

(1)第一步反应是_________(填“放热”或“吸热”)反应。

(2)1 mol NH4+ (aq)全部氧化成NO3- (aq)的热化学方程式是___________。

(二)用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO3-)已成为环境修复研究的热点之一。

(1)Fe还原水体中NO3-的反应原理如图所示。

①作负极的物质化学式为___________。

②正极的电极反应式是_______________。

(2)将足量铁粉投入水体中，经24小时测定NO3-的去除率和pH，结果如下：

初始pH	pH=2.5	pH=4.5
NO3-的去除率	接近100%	＜50%
24小时pH	接近中性	接近中性
铁的最终物质形态

pH=4.5时，NO3-的去除率低。其原因是_______________。

(3)实验发现：在初始pH=4.5的水体中投入足量铁粉的同时，补充一定量的Fe2+可以明显提高NO3-的去除率。对Fe2+的作用提出两种假设：

Ⅰ．Fe2+直接还原NO3-；

Ⅱ．Fe2+破坏FeO(OH)氧化层。

①做对比实验，结果如图所示，可得到的结论是_________。

②同位素示踪法证实Fe2+能与FeO(OH)反应生成Fe3O4，该反应的离子方程式为_________解释加入Fe2+提高NO3-去除率的原因：________。

Answer 1

【答案】放热 (aq)＋2O2(g)=NO (aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－346 kJ·mol－1 Fe NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O FeO（OH）不导电，阻碍电子转移 本实验条件下，Fe2+不能直接还原NO3-；在Fe和Fe2+共同作用下能提高NO3-的去除率 Fe2++2FeO（OH）=Fe3O4+2H+ Fe2+将不导电的FeO（OH）转化为可导电的Fe3O4，利于电子转移

【解析】

(一)(1)根据图象可知，第一步反应的反应物能量高于生成物；(2)1mol NH4+(aq)全部氧化成NO3-(aq)可由两步反应加和得到；

(二)(1)①Fe还原水体中NO3-，根据题意Fe3O4为电解质，则Fe作还原剂，失去电子，作负极；②NO3-在正极得电子发生还原反应产生NH4+，据此书写电极反应式；

(2)由于Fe3O4为电解质，而电解质的主要作用是为电子转移提供媒介，结合FeO(OH)不导电分析解答；

(3)①根据图中的三个实验结果进行分析，单独加入Fe2+时，NO3-的去除率为0，而Fe和Fe2+共同加入时NO3-的去除率比单独加入Fe高；②结合铁的最终物质形态的导电差异分析解答。

(一)(1)根据图象可知，第一步反应中反应物能量高于生成物，依据能量守恒分析可知反应为放热反应，故答案为：放热；

(2)1mol NH4+(aq)全部氧化成NO3-(aq)可由两步反应加和得到，热化学方程式为NH4+(aq)+2O2(g)=2H+(aq)+H2O(l)+NO3-(aq)△H=(-273kJ/mol)+(-73kJ/mol)=-346kJ/mol，故答案为：NH4+(aq)+2O2(g)=2H+(aq)+H2O(l)+NO3-(aq)△H=-346kJ/mol

(二)(1)①Fe还原水体中NO3-，Fe3O4为电解质，则Fe作还原剂，失去电子，作负极，故答案为：铁；

②NO3-在正极得电子，发生还原反应产生NH4+，则正极的电极反应式为：NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O，故答案为：NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O；

(2)根据实验，pH越高，Fe3+越易水解生成FeO(OH)，而FeO(OH)不导电，将铁全部覆盖，阻碍电子转移，所以NO3-的去除率低，故答案为：FeO(OH)不导电，阻碍电子转移；

(3)①从实验结果可以看出，单独加入Fe2+时，NO3-的去除率为0，因此得出Fe2+不能直接还原NO3-；而Fe和Fe2+共同加入时NO3-的去除率比单独加入Fe高，因此可以得出结论：本实验条件下，Fe2+不能直接还原NO3-；在Fe和Fe2+共同作用下能提高NO3-的去除率，故答案为：本实验条件下，Fe2+不能直接还原NO3-；在Fe和Fe2+共同作用下能提高NO3-的去除率；

②同位素示踪法证实了Fe2+能与FeO(OH)反应生成Fe3O4，反应的离子方程式为：Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+，Fe2+将不导电的FeO(OH)转化为可导电的Fe3O4，利于电子转移，因此加入Fe2+可以提高NO3-去除率，故答案为：Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+；Fe2+将不导电的FeO(OH)转化为可导电的Fe3O4，利于电子转移。