题目内容
【题目】用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO3-)已成为环境修复研究的热点之一。
(1)Fe还原水体中NO3-的反应原理如图所示。
①作负极的物质是__________。
②正极的电极反应式是__________。
(2)将足量铁粉投入水体中,经 24小时测定 NO3-的去除率和pH,结果如下:
初始 pH | pH=2.5 | pH=4.5 |
NO3-的去除率 | 接近 100% | <50% |
24 小时 pH | 接近中性 | 接近中性 |
铁的最终物质 形态 |
pH=4.5 时,NO3-的去除率低,其原因是_____________。
(3)实验发现:在初始 pH=4.5 的水体中投入足量铁粉的同时,补充一定量的 Fe2+可以明显提高NO3-的去除率。对Fe2+的作用提出两种假设:
Ⅰ.Fe2+直接还原NO3-;
Ⅱ.Fe2+破坏 FeO(OH)氧化层。
①做对比实验,结果如图所示,可得到的结论是________。
②同位素示踪法证实 Fe2+能与 FeO(OH)反应生成 Fe3O4。结合该反应的离子方程式,解释加入 Fe2+提高NO3-去除率的原因:_____________。
(4) 其他条件与(2)相同,经 1小时测定NO3-的去除率和 pH,结果如下:
初始 pH | pH=2.5 | pH=4.5 |
NO3-的去除率 | 约10% | 约3% |
1小时pH | 接近中性 | 接近中性 |
与(2)中数据对比,解释(2)中初始 pH不同时,NO3-去除率和铁的最终物质形态不同的原因:_______。
【答案】 铁 NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O 因为铁表面生成不导电的 FeO(OH),阻止反应进一步发生 本实验条件下, Fe2+不能直接还原 NO3-;在 Fe 和 Fe2+共同作用下能提高 NO3-的去除率 Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+, Fe2+将不导电的 FeO(OH)转化为可导电的 Fe3O4,有利于反应的进行,使 NO3-的去除率提高 pH 较小,则产生的 Fe2+浓度大,利于形成导电的Fe3O4,使反应进行的更完全;pH 高,则产生的 Fe2+浓度小,利于形成不导电的 FeO(OH),从而造成NO3-去除率率低。
【解析】(1)①由图中物质变化分析,Fe变化为Fe3O4是被氧化过程,则铁作原电池的负极;②由硝酸根到铵根可知,硝酸根被还原为氨气,氨气在酸性环境中生成铵根,正极的电极反应式为:NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O;(2)从pH对硝酸根去除率的影响来看,初始pH=4.5时去除率低,主要是因为铁离子容易水解生成FeO(OH),同时生成的Fe3O4产率降低,且生成的FeO(OH)不导电,所以NO3-的去除率低;(3)①从图中可以看出只加入铁粉和只加入Fe2+,NO3-的去除率都不如同时加入铁和亚铁离子的去除率高,说明不是由于亚铁离子的还原性提高了硝酸根的去除率,而是由于Fe2+破坏FeO(OH)生成了四氧化三铁;②同位互示踪法证实亚铁离子秘FeO(OH)反应生成四氧化铁,该反应离子方程式为:Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+,加入亚铁离子之所以可以提高硝酸根离子的转化率主要因为减少了FeO(OH)的生成,生成更多的四氧化三铁,增强了导电性,另外pH较小,可以使pH增大的速度减慢,使硝酸根离子转化率增大;(4)铁与盐酸反应,初始pH较小,氢离子浓度高,产生的亚铁离子浓度大,促使FeO(OH)转化为可导电的四氧化三铁,使反应进行的更完全;初始pH较大时,由于三价铁的水解,三价铁越容易生成FeO(OH),产生的亚铁离子浓度高小,从而造成硝酸根离子去除率和的铁的最终物质。