Question

【題目】用零價鐵（Fe）去除水體中的硝酸鹽（NO3-）已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點之一。

（1）Fe還原水體中NO3-的反應(yīng)原理如圖所示。

①作負極的物質(zhì)是________。

②正極的電極反應(yīng)式是_________。

（2）將足量鐵粉投入水體中，經(jīng)24小時測定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pH	接近中性	接近中性
鐵的最終物質(zhì)形態(tài)

pH=4.5時，NO3—的去除率低。其原因是________。

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

Ⅰ. Fe2+直接還原NO3—；

Ⅱ. Fe2+破壞FeO（OH）氧化層。

①做對比實驗，結(jié)果如圖所示，可得到的結(jié)論是_______。

②同位素示蹤法證實Fe2+能與FeO（OH）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小時測定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	約10%	約3%
1小時pH	接近中性	接近中性

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

Answer 1

【答案】（1）①鐵 ②NO3－+8e－+10H+=NH4++3H2O

（2）因為鐵表面生成不導(dǎo)電的FeO(OH)，阻止反應(yīng)進一步發(fā)生

（3）①本實驗條件下，Fe2+不能直接還原NO3-；在Fe和Fe2+共同作用下能提高NO3-的去除率。

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

（4）Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑，初始pH較小，氫離子濃度高，產(chǎn)生的Fe2+濃度大，促使FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，使反應(yīng)進行的更完全，初始pH高時，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：（1）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被氧化作負極；

②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對硝酸根去除率的影響來看，初始pH=4.5時去除率低，主要是因為鐵離子容易水解生成FeO(OH)，同時生成的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）①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加入鐵和亞鐵離子的去除率高，說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；

②同位素示蹤法證實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)化率主要因為減少了FeO（OH）的生成，生成更多的Fe3O4，增強了導(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；

（4）Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑，初始pH較小，氫離子濃度高，產(chǎn)生的Fe2+濃度大，促使FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，使反應(yīng)進行的更完全；初始pH高時，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。