Question

19．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1所示．
①作负极的物质是铁．
②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FeO（OH）不导电，阻碍电子转移．
（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．
②同位素示踪法证实Fe²⁺能与FeO（OH）反应生成Fe₃O₄．结合该反应的离子方程式，解释加入Fe²⁺提高NO₃^-去除率的原因：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．
（4）其他条件与（2）相同，经1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	约10%	约3%
1小时pH	接近中性	接近中性

与（2）中数据对比，解释（2）中初始pH不同时，NO₃^-去除率和铁的最终物质形态不同的原因：初始pH低时，产生的Fe²⁺充足；初始pH高时，产生的Fe²⁺不足．

Answer 1

分析 （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⁺，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）①根据图2中的三个实验结果进行分析；
②结合（2）题中的铁的最终物质形态结果差异进行分析；
（4）根据Fe²⁺的作用进行分析．

解答 解：（1）①Fe还原水体中NO₃^-，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⁺，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，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；
②同位素示踪法证实了Fe²⁺能与FeO（OH）反应生成Fe₃O₄，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．
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；
（4）根据实验结果可知Fe²⁺的作用是将不导电的FeO（OH）转化为可导电的Fe₃O₄，而NO₃^-的去除率由铁的最终物质形态确定，因此可知实验初始pH会影响Fe²⁺的含量．
故答案为：初始pH低时，产生的Fe²⁺充足；初始pH高时，产生的Fe²⁺不足．

点评 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．