Question

10．铁及其化合物在环境保护领域应用广泛．

（1）常温下Fe²⁺可作为2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的催化剂，其中一个反应的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，试写出另一个反应的离子方程式2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-．
（2）废铁屑可用于地下水脱氮．若pH=2.5时，用铁粉还原水中NO₃^-，相关离子浓度、pH随时间的变化关系如右图（部分副反应产物曲线略去）．请根据图1中信息写出t₁时刻之前发生反应的离子方程式4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．
若将地下水通过废铁屑和活性炭的混合物，可以加快反应并提高净水效果，原因是形成原电池，加快反应速率；活性炭能够吸附水中的离子，使水净化．
（3）Na₂FeO₄是一种杀菌、净水的水处理剂．工业上可用如图2装置制备Na₂FeO₄，则阳极的电极反应式为Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；可循环使用的物质是NaOH溶液．
（4）新型纳米材料ZnFe₂O_x由ZnFe₂O₄经高温用H₂还原而得，常温下能使工业废气中的CO₂、SO₂、NO₂等酸性气体分解成其单质而除去，同时得到ZnFe₂O₄．若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反应，则ZnFe₂O_x中的x=3.5，该反应过程中的氧化剂是SO₂．

Answer 1

分析 （1）总的反应2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的反应减去4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，得到另一个反应；
（2）根据图示知道t₁时刻前，硝酸根离子、氢离子浓度逐渐减小，亚铁离子浓度增大，则是金属铁和硝酸之间的反应；根据原电池可以加快化学反应速率来回答；
（3）依据阳极是铁，故阳极上铁放电生成FeO₄^2-结合碱性环境来写出电极方程式；根据OH^-在阳极被消耗，而在阴极会生成来分析；
（4）若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反应，则ZnFe₂O_X被还原为ZnFe₂O₄，令中铁元素的化合价为a，根据电子转移守恒，可知4mol×2×（3-a）=1mol×4，和化学式中元素化合价代数和为零解答，二氧化硫的化合价降低，所以二氧化硫是氧化剂．

解答 解：（1）总的反应2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的反应减去4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，得到2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-，故答案为：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-；
（2）根据图示知道t₁时刻前，硝酸根离子、氢离子浓度逐渐减小，亚铁离子浓度增大，则是金属铁和硝酸之间的反应，即4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O，
将铁屑和活性炭同时加入上述KNO₃溶液中，活性炭和铁构成了无数个微小的铁碳原电池加快反应速率（或活性炭吸附作用，降低溶液中NH₄⁺浓度），可以提高脱氮效果，故答案为：4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；形成原电池，加快反应速率；活性炭能够吸附水中的离子，使水净化；
（3）阳极是铁，故阳极上铁放电生成FeO₄^2-，由于是碱性环境，故电极方程式为：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
在电解时，水电离的H⁺在阴极放电：2H⁺+2e^-=H₂↑，c（OH^-）增大，Na⁺通过阳离子交换膜进入阴极区，使阴极区c（NaOH）增大，故NaOH可以循环使用，
故答案为：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；NaOH溶液；
（4）若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反应，则ZnFe₂O_X被还原为ZnFe₂O₄，令中铁元素的化合价为a，根据电子转移守恒，可知4mol×2×（3-a）=1mol×4，解之得a=3.5，二氧化硫的化合价降低，所以二氧化硫是氧化剂，故答案为：3.5；SO₂．

点评 本题考查氧化还原反应的相关知识，学生在解题中应巧炒应用得失电子守恒和化学式中元素化合价代数和为零解答，比较容易．