Question

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，结果如右图所示，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：______。

pH =4.5（其他条件相同）

（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：__________。

Answer

铁 NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O FeO(OH)不导电，阻碍电子转移 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，利于电子的转移。 初始pH低时，产生的Fe2+充足；初始pH高时，产生的Fe2+不足。

【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。