Question

【題目】用納米Fe/Ni復(fù)合材料能去除污染水體的NO3，Ni不參與反應(yīng)。離子在材料表面的活性位點(diǎn)吸附后發(fā)生反應(yīng)，活性位點(diǎn)被其他附著物占據(jù)會(huì)導(dǎo)致速率減慢（NH4+無(wú)法占據(jù)活性位點(diǎn)）。反應(yīng)過(guò)程如圖所示：

（1）酸性環(huán)境中，納米Fe/Ni去除NO3分兩步，將步驟ii補(bǔ)充完整：

ⅰ.NO3+Fe+2H+=NO2+Fe2++H2O

ⅱ.□ +□ +□H+=□Fe2++□ +□ ______

（2）初始pH=2.0的廢液反應(yīng)15min后，出現(xiàn)大量白色絮狀物，過(guò)濾后很快變成紅褐色，結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)解釋整個(gè)變化過(guò)程的原因_________。

（3）水體初始pH會(huì)影響反應(yīng)速率，不同pH的硝酸鹽溶液與納米Fe/Ni反應(yīng)時(shí)，溶液中隨時(shí)間的變化如圖1所示。（注：c0(NO3)為初始時(shí)NO3的濃度。）

①為達(dá)到最高去除率，應(yīng)調(diào)水體的初始pH=______。

②t<15min，pH=2.0的溶液反應(yīng)速率最快，t>15min，其反應(yīng)速率迅速降低，原因分別是_______。

（4）總氮量指溶液中自由移動(dòng)的所有含氮微粒濃度之和，納米Fe/Ni處理某濃度硝酸鹽溶液時(shí)，隨時(shí)間的變化如圖2所示。40min時(shí)總氮量較初始時(shí)下降，可能的原因是_____。

（5）利用電解無(wú)害化處理水體中的NO3，最終生成N2逸出。其裝置及轉(zhuǎn)化圖如圖所示：

①陰極的電極反應(yīng)式為___________。

②生成N2的離子方程式為_________。

Answer 1

【答案】1NO3-+3Fe+8H+=3Fe2++1NH4++2H2O Fe2+在水中發(fā)生水解，Fe2++2H2OFe(OH)2+2H+，隨著反應(yīng)進(jìn)行，c(H+)減小，平衡右移，產(chǎn)生Fe(OH)2沉淀，之后發(fā)生反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3，變成紅褐色的Fe(OH)3。 6.5 pH=2的溶液中，t<15min時(shí)，溶液中H+濃度較高，因此反應(yīng)速率較快，溶液中產(chǎn)生Fe2+和pH上升速率較快，t>15min時(shí)，產(chǎn)生大量Fe(OH)2，附著在活性位點(diǎn)上，減小接觸面積，因此反應(yīng)速率迅速下降 反應(yīng)過(guò)程中H+被消耗，溶液pH升高，t=40min時(shí)，溶液中含N物質(zhì)主要以NH4+的形式存在，一部分NH4+生成NH3逸出。（反應(yīng)過(guò)程中NO2被Fe還原產(chǎn)生N2逸出。） NO3+8e+10H+=NH4++3H2O 2NH4++3HClO=N2↑+3Cl+5H++3H2O

【解析】

（1）根據(jù)流程圖，步驟ii是NO3-與Fe發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成Fe2+和NH4+；

（2）反應(yīng)生成Fe2+在水中發(fā)生水解生成Fe(OH)2沉淀，Fe(OH)2沉淀被氧化為紅褐色的Fe(OH)3；

（3）①根據(jù)圖1，初始pH=6.5時(shí)，NO3去除率最高；②活性位點(diǎn)被其他附著物占據(jù)會(huì)導(dǎo)致速率減慢；

（4）隨溶液pH升高一部分NH4+生成氨氣放出；

（5）①陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)；②NH4+被HClO氧化為N2。

（1）步驟ii是NO3-與Fe發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成Fe2+和NH4+，根據(jù)得失電子守恒、電荷守恒配平離子方程式為NO3-+3Fe+8H+=3Fe2++NH4++2H2O；

（2）初始pH=2.0的廢液反應(yīng)15min后，出現(xiàn)大量白色絮狀物，過(guò)濾后很快變成紅褐色的原因是Fe2+在水中發(fā)生水解反應(yīng)Fe2++2H2OFe(OH)2+2H+，隨著反應(yīng)進(jìn)行，c(H+)減小，平衡右移，產(chǎn)生Fe(OH)2沉淀，之后發(fā)生反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3，變成紅褐色的Fe(OH)3。

（3）①根據(jù)圖1，初始pH=6.5時(shí)，NO3去除率最高，所以為達(dá)到最高去除率，應(yīng)調(diào)水體的初始pH=6.5；

②pH=2的溶液中，t＜15min時(shí)，溶液中H+濃度較高，因此反應(yīng)速率較快，溶液中產(chǎn)生Fe2+和pH上升速率較快，t＞15min時(shí)，產(chǎn)生大量Fe(OH)2，附著在活性位點(diǎn)上，減小接觸面積，因此反應(yīng)速率迅速下降；

（4）反應(yīng)過(guò)程中H+被消耗，溶液pH升高，t=40min時(shí)，溶液中含N物質(zhì)主要以NH4+的形式存在，一部分NH4+生成NH3逸出。

（5）①根據(jù)圖示，陰極NO3得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成NH4+，陰極反應(yīng)方程式是NO3+8e+10H+=NH4++3H2O；

②NH4+被HClO氧化為N2，反應(yīng)的離子方程式是2NH4++3HClO=N2↑+3Cl+5H++3H2O。