Question

19．零价铁（Fe）除去水体中的硝酸盐（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．的反应原理如图1所示．

正极的电极反应式是NO₃^-+8e^-+10H⁺=NH₄⁺+3H₂O．
（2）将足量铁粉投入水体中，经24小时测定NO₃^-的去除率和pH，结果如表：

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．其原因是因为铁表面生成不导电的FeO（OH），将铁全部覆盖，阻止反应进一步发生．
（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．
对比实验，结果如图2所示，可得到的结论是本实验条件下，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．pH=4.5（其他条件相同）
Ⅱ．高铁酸钠Na₂FeO₄
（4）高铁酸钠主要通过如下反应制取：2Fe（OH）₃+3NaClO+4NaOH═2Na₂FeO₄+3X+5H₂O，则X的化学式为．
（5）高铁酸钠具有强氧化性，与水反应生成Fe（OH）₃胶体能够吸附水中悬浮杂质，请写出高铁酸钠与水反应的离子方程式．

Answer 1

分析 （1）Fe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；NO₃^-在正极得电子发生还原反应产生NH₄⁺，根据图2信息可知为酸性环境；
（2）由于Fe₃O₄为电解质，而电解质主要作用是为电子转移提供媒介，然后根据FeO（OH）不导电进行分析；
（3）根据图2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，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Fe高；
（4）根据反应前后原子的种类与数目不发生改变进行判断；
（5）高铁酸钠具有强氧化性，与水反应生成Fe（OH）₃胶体，其中Fe元素化合价由+3价变为+6价，所以O元素化合价由-2价变为0价即有氧气生成，根据转移电子守恒、电荷守恒及原子守恒书写方程式．

解答 解：（1）Fe还原水体中NO₃^-，则Fe作还原剂，失去电子，作负极，NO₃^-在正极得电子发生还原反应产生NH₄⁺，根据图2信息可知为酸性环境，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）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：因为铁表面生成不导电的FeO（OH），将铁全部覆盖，阻止反应进一步发生；
（3）从图2的实验结果可以看出，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；
（4）根据质量守恒定律，化学反应前后原子的种类和数目不变，每个X中含一个钠原子和一个氯原子，为氯化钠，化学式为NaCl．
故答案为：NaCl；
（5）高铁酸钠具有强氧化性，与水反应生成Fe（OH）₃胶体，其中Fe元素化合价由+3价变为+6价，则O元素化合价由-2价变为0价即有氧气生成，则反应的离子方程式为：4FeO₄^2-+10H₂O═4Fe（OH）₃（胶体）+3O₂↑+8OH^-，
故答案为：4FeO₄^2-+10H₂O═4Fe（OH）₃（胶体）+3O₂↑+8OH^-．

点评 本题考查化学反应原理，涉及电化学、氧化还原反应等相关知识，题中的Fe与NO₃^-的反应跟溶液酸碱性有关，抓住这一点是解题的关键，第Ⅱ问的解答有一定的难度，特别是阐述上的准确性，题目难度中等．