Question

19．零價(jià)鐵（Fe）除去水體中的硝酸鹽（NO₃^-）已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一．
（1）Fe還原水體中NO₃^-的反應(yīng)原理如圖所示．的反應(yīng)原理如圖1所示．

正極的電極反應(yīng)式是NO₃^-+8e^-+10H⁺=NH₄⁺+3H₂O．
（2）將足量鐵粉投入水體中，經(jīng)24小時(shí)測定NO₃^-的去除率和pH，結(jié)果如表：

初始pH	pH=2.5	pH=4.5
NO3-的去除率	接近100%	＜50%
24小時(shí)pH	接近中性	接近中性
鐵的最終物質(zhì)形態(tài)

pH=4.5時(shí)，NO₃^-的去除率低．其原因是因?yàn)殍F表面生成不導(dǎo)電的FeO（OH），將鐵全部覆蓋，阻止反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生．
（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在初始pH=4.5的水體中投入足量鐵粉的同時(shí)，補(bǔ)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．
對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，可得到的結(jié)論是本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺不能直接還原NO₃^-；在Fe和Fe²⁺共同作用下能提高NO₃^-的去除率．pH=4.5（其他條件相同）
Ⅱ．高鐵酸鈉Na₂FeO₄
（4）高鐵酸鈉主要通過如下反應(yīng)制取：2Fe（OH）₃+3NaClO+4NaOH═2Na₂FeO₄+3X+5H₂O，則X的化學(xué)式為．
（5）高鐵酸鈉具有強(qiáng)氧化性，與水反應(yīng)生成Fe（OH）₃膠體能夠吸附水中懸浮雜質(zhì)，請寫出高鐵酸鈉與水反應(yīng)的離子方程式．

Answer 1

分析 （1）Fe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(fù)極；NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH₄⁺，根據(jù)圖2信息可知為酸性環(huán)境；
（2）由于Fe₃O₄為電解質(zhì)，而電解質(zhì)主要作用是為電子轉(zhuǎn)移提供媒介，然后根據(jù)FeO（OH）不導(dǎo)電進(jìn)行分析；
（3）根據(jù)圖2中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，單獨(dú)加入Fe²⁺時(shí)，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(shí)NO₃^-的去除率比單獨(dú)Fe高；
（4）根據(jù)反應(yīng)前后原子的種類與數(shù)目不發(fā)生改變進(jìn)行判斷；
（5）高鐵酸鈉具有強(qiáng)氧化性，與水反應(yīng)生成Fe（OH）₃膠體，其中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)變?yōu)?6價(jià)，所以O(shè)元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)?價(jià)即有氧氣生成，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒、電荷守恒及原子守恒書寫方程式．

解答 解：（1）Fe還原水體中NO₃^-，則Fe作還原劑，失去電子，作負(fù)極，NO₃^-在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生NH₄⁺，根據(jù)圖2信息可知為酸性環(huán)境，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）pH越高，F(xiàn)e³⁺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：因?yàn)殍F表面生成不導(dǎo)電的FeO（OH），將鐵全部覆蓋，阻止反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生；
（3）從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，單獨(dú)加入Fe²⁺時(shí)，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(shí)NO₃^-的去除率比單獨(dú)Fe高，因此可以得出結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺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(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e²⁺不能直接還原NO₃^-；在Fe和Fe²⁺共同作用下能提高NO₃^-的去除率；
（4）根據(jù)質(zhì)量守恒定律，化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目不變，每個(gè)X中含一個(gè)鈉原子和一個(gè)氯原子，為氯化鈉，化學(xué)式為NaCl．
故答案為：NaCl；
（5）高鐵酸鈉具有強(qiáng)氧化性，與水反應(yīng)生成Fe（OH）₃膠體，其中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)變?yōu)?6價(jià)，則O元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)?價(jià)即有氧氣生成，則反應(yīng)的離子方程式為：4FeO₄^2-+10H₂O═4Fe（OH）₃（膠體）+3O₂↑+8OH^-，
故答案為：4FeO₄^2-+10H₂O═4Fe（OH）₃（膠體）+3O₂↑+8OH^-．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)反應(yīng)原理，涉及電化學(xué)、氧化還原反應(yīng)等相關(guān)知識，題中的Fe與NO₃^-的反應(yīng)跟溶液酸堿性有關(guān)，抓住這一點(diǎn)是解題的關(guān)鍵，第Ⅱ問的解答有一定的難度，特別是闡述上的準(zhǔn)確性，題目難度中等．