Question

【題目】(一)在微生物作用的條件下，NH4+經(jīng)過兩步反應(yīng)被氧化成 NO3-。兩步反應(yīng)的能量變化示意圖如下：

(1)第一步反應(yīng)是_________(填“放熱”或“吸熱”)反應(yīng)。

(2)1 mol NH4+ (aq)全部氧化成NO3- (aq)的熱化學(xué)方程式是___________。

(二)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)化學(xué)式為___________。

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，該反應(yīng)的離子方程式為_________解釋加入Fe2+提高NO3-去除率的原因：________。

Answer 1

【答案】放熱 (aq)＋2O2(g)=NO (aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－346 kJ·mol－1 Fe NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O FeO（OH）不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移 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 Fe2++2FeO（OH）=Fe3O4+2H+ Fe2+將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，利于電子轉(zhuǎn)移

【解析】

(一)(1)根據(jù)圖象可知，第一步反應(yīng)的反應(yīng)物能量高于生成物；(2)1mol NH4+(aq)全部氧化成NO3-(aq)可由兩步反應(yīng)加和得到；

(二)(1)①Fe還原水體中NO3-，根據(jù)題意Fe3O4為電解質(zhì)，則Fe作還原劑，失去電子，作負極；②NO3-在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH4+，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式；

(2)由于Fe3O4為電解質(zhì)，而電解質(zhì)的主要作用是為電子轉(zhuǎn)移提供媒介，結(jié)合FeO(OH)不導(dǎo)電分析解答；

(3)①根據(jù)圖中的三個實驗結(jié)果進行分析，單獨加入Fe2+時，NO3-的去除率為0，而Fe和Fe2+共同加入時NO3-的去除率比單獨加入Fe高；②結(jié)合鐵的最終物質(zhì)形態(tài)的導(dǎo)電差異分析解答。

(一)(1)根據(jù)圖象可知，第一步反應(yīng)中反應(yīng)物能量高于生成物，依據(jù)能量守恒分析可知反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故答案為：放熱；

(2)1mol NH4+(aq)全部氧化成NO3-(aq)可由兩步反應(yīng)加和得到，熱化學(xué)方程式為NH4+(aq)+2O2(g)=2H+(aq)+H2O(l)+NO3-(aq)△H=(-273kJ/mol)+(-73kJ/mol)=-346kJ/mol，故答案為：NH4+(aq)+2O2(g)=2H+(aq)+H2O(l)+NO3-(aq)△H=-346kJ/mol

(二)(1)①Fe還原水體中NO3-，Fe3O4為電解質(zhì)，則Fe作還原劑，失去電子，作負極，故答案為：鐵；

②NO3-在正極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH4+，則正極的電極反應(yīng)式為：NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O，故答案為：NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O；

(2)根據(jù)實驗，pH越高，Fe3+越易水解生成FeO(OH)，而FeO(OH)不導(dǎo)電，將鐵全部覆蓋，阻礙電子轉(zhuǎn)移，所以NO3-的去除率低，故答案為：FeO(OH)不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移；

(3)①從實驗結(jié)果可以看出，單獨加入Fe2+時，NO3-的去除率為0，因此得出Fe2+不能直接還原NO3-；而Fe和Fe2+共同加入時NO3-的去除率比單獨加入Fe高，因此可以得出結(jié)論：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，故答案為：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；

②同位素示蹤法證實了Fe2+能與FeO(OH)反應(yīng)生成Fe3O4，反應(yīng)的離子方程式為：Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+，Fe2+將不導(dǎo)電的FeO(OH)轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，利于電子轉(zhuǎn)移，因此加入Fe2+可以提高NO3-去除率，故答案為：Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+；Fe2+將不導(dǎo)電的FeO(OH)轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，利于電子轉(zhuǎn)移。