Question

15．水处理技术在生产、生活中应用广泛．
（1）根据水中Ca²⁺、Mg²⁺的多少，把天然水分为硬水和软水，硬水必须经过软化才能使用．
①硬水软化的方法通常有热煮沸法、药剂法和离子交换法．离子交换树脂使用了一段时间后，逐渐由NaR型变为CaR₂（或MgR₂）型，而失去交换能力，把CaR₂（或MgR₂）型树脂置于5%-8%的食盐水中浸泡一段时间，便可再生．
②当洗涤用水硬度较大时，洗衣粉与肥皂相比，洗衣粉洗涤效果较好，原因是肥皂易与Ca²⁺，Mg²⁺生成沉淀．
（2）下列试剂能够用来对自来水进行杀菌消毒，且不会造成二次污染的是c（填字母）．
a．福尔马林    b．漂白粉    c．臭氧    d．氯气
（3）Na₂FeO₄是一种新型水处理剂，工业上可用FeSO₄制备Na₂FeO₄，其工艺流程如下：

①工业上常用硫酸亚铁作混凝剂除去天然水中含有的悬浮物，为了达到更好的效果，要将待处理水的pH调到9左右，再加入绿矾．请解释这一做法的原因Fe²⁺在碱性条件下易被氧化成Fe³⁺，进而水解生成Fe（OH）₃胶体，起到较好的混凝作用，4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-═4Fe（OH）₃（胶体）．（用必要的离子方程式和文字描述）
②设每步反应均是完全的，若制取3molNa₂FeO₄，需要NaClO固体335.25g．
③写出第一步在酸性环境下加入H₂O₂的离子反应方程式2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
（4）若生活污水中含大量含氮化合物，通常用生物膜脱氮工艺进行处理．首先在消化细菌作用下将NH₄⁺氧化为NO₃^-，然后加入甲醇与NO₃^-反应生成N₂．请写出加入甲醇后反应的离子方程式6NO₃^-+5CH₃OH═3N₂+5CO₂+7H₂O+6OH^-．

Answer 1

分析 （1）①硬水软化的方法通常有①热煮沸法②药剂软化法③蒸馏法④离子交换法⑤电渗析法⑥离子膜电解法；
用磺化煤（NaR）作离子交换剂：2NaR+Ca²⁺=CaR₂+2Na⁺，2NaR+Mg²⁺=MgR₂+2Na⁺，用5%-8%的食盐水浸泡可使失去软化能力的磺化煤再生：CaR₂+2Na⁺=2NaR+Ca²⁺，MgR₂+2Na⁺=2NaR+Mg²⁺；
②肥皂易与Ca²⁺，Mg²⁺生成沉淀，洗涤效果不好；
（2）对自来水进行杀菌消毒，且不会造成二次污染，只有臭氧的还原产物对水无污染；
（3）①将待处理水的pH调到9左右，再加入绿矾，可得到铁离子，水解生成胶体；
②发生氧化还原反应生成Na₂FeO₄；
③H₂0₂在酸性条件下能将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，H₂0₂被还原为水，据此写出离子方程式；
（4）加入甲醇与NO₃^-反应生成N₂，N元素的化合价降低，C元素的化合价升高，结合电子、电荷守恒来解答．

解答 解：（1）①硬水软化的方法通常有①热煮沸法②药剂软化法③蒸馏法④离子交换法⑤电渗析法⑥离子膜电解法；用磺化煤（NaR）作离子交换剂：2NaR+Ca²⁺=CaR₂+2Na⁺，2NaR+Mg²⁺=MgR₂+2Na⁺，用5%-8%的食盐水浸泡可使失去软化能力的磺化煤再生：CaR₂+2Na⁺=2NaR+Ca²⁺，MgR₂+2Na⁺=2NaR+Mg²⁺；
故答案为：热煮沸法；药剂法；5%-8%的食盐水；
②肥皂易与Ca²⁺，Mg²⁺生成硬脂酸钙、硬脂酸镁沉淀，洗涤效果不好，洗衣粉不与Ca²⁺，Mg²⁺生成沉淀，洗涤效果较好，
故答案为：洗衣粉；肥皂易与Ca²⁺，Mg²⁺生成沉淀；
②福尔马林有毒，含氯物质可导致二次污染，则能够用来对自来水进行杀菌消毒，且不会造成二次污染的只有臭氧，故答案为：c；
（3）①工业上常用硫酸亚铁作混凝剂除去天然水中含有的悬浮物和胶体，为了达到更好的效果，要将待处理水的pH调到9左右，再加绿矾，原因：Fe²⁺在碱性条件下易被氧化成Fe³⁺，进而水解生成Fe（OH）₃胶体，起到较好的混凝作用，4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃（胶体），
故答案为：Fe²⁺在碱性条件下易被氧化成Fe³⁺，进而水解生成Fe（OH）₃胶体，起到较好的混凝作用，4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-═4Fe（OH）₃（胶体）；
②设需要的NaClO的物质的量为xmol，
由Fe（0H）₃制取Na₂FeO₄的化学方程式为：2Fe（OH）₃+3NaClO+4NaOH═2Na₂FeO₄+3NaCl+5H₂O，
2Fe（OH）₃+3NaClO+4NaOH═2Na₂FeO₄+3NaCl+5H₂O
             3             2
            xmol          3mol
可得$\frac{3}{x}=\frac{2}{3}$，解得x=4.5mol，
则NaClO的质量m=nM=4.5mol×74.5g/mol=335.25g，
故答案为：335.25；
③H₂0₂在酸性条件下能将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，H₂0₂被还原为水，故离子方程式为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（4）硝化细菌的作用下将NH₄⁺氧化为NO₃^-，NH₄⁺中的N元素价态由-3价变化到NO₃^-中的+5价，价态升高8，氧气由0价变化到-2价，价态降低2，又因为氧气为双原子分子，所以NH₄⁺离子与臭氧的化学计量数之比为1：2，结合电荷守恒得离子方程式为：NH₄⁺+2O₂=NO₃^-+2H⁺+H₂O；
甲醇和硝酸根反应生成氮气、二氧化碳、水，NO₃^-中的N元素由+5价变化到氮气中的0价，甲醇中C元素的价态由-2价变化到二氧化碳中的+4价，所以NO₃^-与甲醇的化学计量数之比为6：5，结合电荷守恒得离子方程式为：6NO₃^-+5CH₃OH═3N₂+5CO₂+7H₂O+6OH^-，
故答案为：6NO₃^-+5CH₃OH═3N₂+5CO₂+7H₂O+6OH^-．

点评 本题考查较综合，涉及离子反应、物质制备实验、氧化还原反应等，为高频考点，把握反应原理为解答的关键，侧重分析与应用能力的综合考查，题目难度中等．