Question

【題目】用零價鐵(Fe)去除水體中的硝酸鹽(NO3－)已成為環境修復研究的熱點之一。

（1）Fe還原水體中NO3－的反應原理如圖所示。

①作負極的物質是__________。

②正極的電極反應式是__________。

（2）將足量鐵粉投入水體中，經 24小時測定 NO3－的去除率和pH，結果如下：

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 形態

pH＝4.5 時，NO3－的去除率低，其原因是_____________。

（3）實驗發現：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：

Ⅰ.Fe2＋直接還原NO3－；

Ⅱ.Fe2＋破壞 FeO(OH)氧化層。

①做對比實驗，結果如圖所示，可得到的結論是________。

②同位素示蹤法證實 Fe2＋能與 FeO(OH)反應生成 Fe3O4。結合該反應的離子方程式，解釋加入 Fe2＋提高NO3－去除率的原因：_____________。

（4） 其他條件與(2)相同，經 1小時測定NO3－的去除率和 pH，結果如下：

初始 pH	pH＝2.5	pH＝4.5
NO3－的去除率	約10%	約3%
1小時pH	接近中性	接近中性

與（2）中數據對比，解釋（2）中初始 pH不同時，NO3－去除率和鐵的最終物質形態不同的原因：_______。

Answer 1

【答案】 鐵 NO3－+8e－+10H+=NH4++3H2O 因為鐵表面生成不導電的 FeO(OH)，阻止反應進一步發生 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+將不導電的 FeO(OH)轉化為可導電的 Fe3O4，有利于反應的進行，使 NO3-的去除率提高 pH 較小，則產生的 Fe2+濃度大，利于形成導電的Fe3O4，使反應進行的更完全；pH 高，則產生的 Fe2+濃度小，利于形成不導電的 FeO(OH)，從而造成NO3-去除率率低。

【解析】（1）①由圖中物質變化分析，Fe變化為Fe3O4是被氧化過程，則鐵作原電池的負極；②由硝酸根到銨根可知，硝酸根被還原為氨氣，氨氣在酸性環境中生成銨根，正極的電極反應式為：NO3－+8e－+10H+=NH4++3H2O；（2）從pH對硝酸根去除率的影響來看，初始pH=4.5時去除率低，主要是因為鐵離子容易水解生成FeO(OH)，同時生成的Fe3O4產率降低，且生成的FeO(OH)不導電，所以NO3-的去除率低；（3）①從圖中可以看出只加入鐵粉和只加入Fe2+，NO3-的去除率都不如同時加入鐵和亞鐵離子的去除率高，說明不是由于亞鐵離子的還原性提高了硝酸根的去除率，而是由于Fe2+破壞FeO(OH)生成了四氧化三鐵；②同位互示蹤法證實亞鐵離子秘FeO(OH)反應生成四氧化鐵，該反應離子方程式為：Fe2++2FeO(OH)=Fe3O4+2H+，加入亞鐵離子之所以可以提高硝酸根離子的轉化率主要因為減少了FeO(OH)的生成，生成更多的四氧化三鐵，增強了導電性，另外pH較小，可以使pH增大的速度減慢，使硝酸根離子轉化率增大；（4）鐵與鹽酸反應，初始pH較小，氫離子濃度高，產生的亞鐵離子濃度大，促使FeO(OH)轉化為可導電的四氧化三鐵，使反應進行的更完全；初始pH較大時，由于三價鐵的水解，三價鐵越容易生成FeO(OH)，產生的亞鐵離子濃度高小，從而造成硝酸根離子去除率和的鐵的最終物質。