【題目】【2016北京卷】用零價(jià)鐵(Fe)去除水體中的硝酸鹽(NO3-)已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一。

1Fe還原水體中NO3-的反應(yīng)原理如圖所示。

作負(fù)極的物質(zhì)是________。

正極的電極反應(yīng)式是_________。

2)將足量鐵粉投入水體中,經(jīng)24小時(shí)測(cè)定NO3的去除率和pH,結(jié)果如下:

初始pH

pH=2.5

pH=4.5

NO3的去除率

接近100%

50%

24小時(shí)pH

接近中性

接近中性

鐵的最終物質(zhì)形態(tài)

pH=4.5時(shí),NO3的去除率低。其原因是________

3)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在初始pH=4.5的水體中投入足量鐵粉的同時(shí),補(bǔ)充一定量的Fe2+可以明顯提高NO3的去除率。對(duì)Fe2+的作用提出兩種假設(shè):

. Fe2+直接還原NO3;

. Fe2+破壞FeOOH)氧化層。

做對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖所示,可得到的結(jié)論是_______。

同位素示蹤法證實(shí)Fe2+能與FeOOH)反應(yīng)生成Fe3O4。結(jié)合該反應(yīng)的離子方程式,解釋加入Fe2+提高NO3去除率的原因:______。

4)其他條件與(2)相同,經(jīng)1小時(shí)測(cè)定NO3的去除率和pH,結(jié)果如下:

初始pH

pH=2.5

pH=4.5

NO3的去除率

10%

3%

1小時(shí)pH

接近中性

接近中性

與(2)中數(shù)據(jù)對(duì)比,解釋(2)中初始pH不同時(shí),NO3去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同的原因:__________。

【答案】(1 NO3+8e+10H+=NH4++3H2O

2)因?yàn)殍F表面生成不導(dǎo)電的FeO(OH),阻止反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生

3本實(shí)驗(yàn)條件下,Fe2+不能直接還原NO3-;在FeFe2+共同作用下能提高NO3-的去除率。

Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+, Fe2+將不導(dǎo)電的FeOOH)轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4,有利于反應(yīng)的進(jìn)行,使NO3-的去除率提高

4Fe2H=Fe2H2,初始pH較小,氫離子濃度高,產(chǎn)生的Fe2+濃度大,促使FeOOH)轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4,使反應(yīng)進(jìn)行的更完全,初始pH高時(shí),產(chǎn)生的Fe2+濃度小,從而造成NO3去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同。

【解析】

試題分析:(1Fe是活潑的金屬,根據(jù)還原水體中的NO3-的反應(yīng)原理圖可知,Fe被氧化作負(fù)極;

正極發(fā)生得到電子的還原反應(yīng),因此正極是硝酸根離子被還原為NH4+,該溶液為酸性電解質(zhì)溶液,結(jié)合元素和電荷守恒可知電極反應(yīng)式為:NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O

2)從pH對(duì)硝酸根去除率的影響來(lái)看,初始pH=4.5時(shí)去除率低,主要是因?yàn)殍F離子容易水解生成FeO(OH),同時(shí)生成的Fe3O4產(chǎn)率降低,且生成的FeO(OH)不導(dǎo)電,所以NO3-的去除率低;

3從圖中可以看出只加入鐵粉和只加入Fe2+,NO3-的去除率都不如同時(shí)加入鐵和亞鐵離子的去除率高,說(shuō)明不是由于亞鐵離子的還原性提高了硝酸根的去除率,而是由于Fe2+破壞FeO(OH)生成了四氧化三鐵;

同位素示蹤法證實(shí)Fe2+能與FeO(OH)反應(yīng)生成四氧化三鐵,該反應(yīng)的離子方程式為:Fe2++2FeO(OH)Fe3O4+2H+。加入Fe2+之所以可以提高硝酸根離子的轉(zhuǎn)化率主要因?yàn)闇p少了FeOOH)的生成,生成更多的Fe3O4,增強(qiáng)了導(dǎo)電性,另外生成了H+,可以使pH增大的速度減慢,使NO3-的轉(zhuǎn)化率增大;

4Fe2H=Fe2H2,初始pH較小,氫離子濃度高,產(chǎn)生的Fe2+濃度大,促使FeOOH)轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4,使反應(yīng)進(jìn)行的更完全;初始pH高時(shí),由于Fe3+的水解,Fe3+越容易生成FeO(OH),產(chǎn)生的Fe2+濃度小,從而造成NO3去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同。

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