Question

【题目】用纳米Fe/Ni复合材料能去除污染水体的NO3，Ni不参与反应。离子在材料表面的活性位点吸附后发生反应，活性位点被其他附着物占据会导致速率减慢（NH4+无法占据活性位点）。反应过程如图所示：

（1）酸性环境中，纳米Fe/Ni去除NO3分两步，将步骤ii补充完整：

ⅰ.NO3+Fe+2H+=NO2+Fe2++H2O

ⅱ.□ +□ +□H+=□Fe2++□ +□ ______

（2）初始pH=2.0的废液反应15min后，出现大量白色絮状物，过滤后很快变成红褐色，结合化学用语解释整个变化过程的原因_________。

（3）水体初始pH会影响反应速率，不同pH的硝酸盐溶液与纳米Fe/Ni反应时，溶液中随时间的变化如图1所示。（注：c0(NO3)为初始时NO3的浓度。）

①为达到最高去除率，应调水体的初始pH=______。

②t<15min，pH=2.0的溶液反应速率最快，t>15min，其反应速率迅速降低，原因分别是_______。

（4）总氮量指溶液中自由移动的所有含氮微粒浓度之和，纳米Fe/Ni处理某浓度硝酸盐溶液时，随时间的变化如图2所示。40min时总氮量较初始时下降，可能的原因是_____。

（5）利用电解无害化处理水体中的NO3，最终生成N2逸出。其装置及转化图如图所示：

①阴极的电极反应式为___________。

②生成N2的离子方程式为_________。

Answer 1

【答案】1NO3-+3Fe+8H+=3Fe2++1NH4++2H2O Fe2+在水中发生水解，Fe2++2H2OFe(OH)2+2H+，随着反应进行，c(H+)减小，平衡右移，产生Fe(OH)2沉淀，之后发生反应4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3，变成红褐色的Fe(OH)3。 6.5 pH=2的溶液中，t<15min时，溶液中H+浓度较高，因此反应速率较快，溶液中产生Fe2+和pH上升速率较快，t>15min时，产生大量Fe(OH)2，附着在活性位点上，减小接触面积，因此反应速率迅速下降 反应过程中H+被消耗，溶液pH升高，t=40min时，溶液中含N物质主要以NH4+的形式存在，一部分NH4+生成NH3逸出。（反应过程中NO2被Fe还原产生N2逸出。） NO3+8e+10H+=NH4++3H2O 2NH4++3HClO=N2↑+3Cl+5H++3H2O

【解析】

（1）根据流程图，步骤ii是NO3-与Fe发生氧化还原反应生成Fe2+和NH4+；

（2）反应生成Fe2+在水中发生水解生成Fe(OH)2沉淀，Fe(OH)2沉淀被氧化为红褐色的Fe(OH)3；

（3）①根据图1，初始pH=6.5时，NO3去除率最高；②活性位点被其他附着物占据会导致速率减慢；

（4）随溶液pH升高一部分NH4+生成氨气放出；

（5）①阴极得电子发生还原反应；②NH4+被HClO氧化为N2。

（1）步骤ii是NO3-与Fe发生氧化还原反应生成Fe2+和NH4+，根据得失电子守恒、电荷守恒配平离子方程式为NO3-+3Fe+8H+=3Fe2++NH4++2H2O；

（2）初始pH=2.0的废液反应15min后，出现大量白色絮状物，过滤后很快变成红褐色的原因是Fe2+在水中发生水解反应Fe2++2H2OFe(OH)2+2H+，随着反应进行，c(H+)减小，平衡右移，产生Fe(OH)2沉淀，之后发生反应4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3，变成红褐色的Fe(OH)3。

（3）①根据图1，初始pH=6.5时，NO3去除率最高，所以为达到最高去除率，应调水体的初始pH=6.5；

②pH=2的溶液中，t＜15min时，溶液中H+浓度较高，因此反应速率较快，溶液中产生Fe2+和pH上升速率较快，t＞15min时，产生大量Fe(OH)2，附着在活性位点上，减小接触面积，因此反应速率迅速下降；

（4）反应过程中H+被消耗，溶液pH升高，t=40min时，溶液中含N物质主要以NH4+的形式存在，一部分NH4+生成NH3逸出。

（5）①根据图示，阴极NO3得电子发生还原反应生成NH4+，阴极反应方程式是NO3+8e+10H+=NH4++3H2O；

②NH4+被HClO氧化为N2，反应的离子方程式是2NH4++3HClO=N2↑+3Cl+5H++3H2O。