Question

工农业废水以及生活污水的大量排放造成水体污染。工业上处理水体中NO₃^-的一种方法是零价铁化学还原法。某化学小组用废铁屑和硝酸盐溶液模拟此过程，实验如下：

(1)先用稀硫酸洗去废铁屑表面的铁诱，然后用蒸馏水将铁屑洗净。

①除锈反应的离子方程式是_______________________。         

②判断铁屑洗净的方法是______________________。   

⑵将KNO₃溶液的pH调至2.5。

①从氧化还原的角度分析调制溶液pH的原因是________________。

②研究发现，若pH偏低将会导致NO₃^-的去除率下降，其原因是________________。

(3)将上述处理过的足量铁屑投入⑵的溶液中。下图表示该反应过程中，体系内相关离子浓度、pH随时间变化关系。t1时刻前该反应的离子方程式是______________。

(4)工业上可用纳米铁粉处理地下水中的污染物。一定条件下，向FeSO₄溶液中滴加碱性NaBH₄溶液，溶液中BH₄^-(B元素的化合价为+3)与Fe²⁺反应生成纳米铁粉、H₂和B(OH)₄^-，其离子方程式为_____________。

(5)铁炭混合物(铁屑和活性炭的混合物)也可用于处理水中污染物。在相同条件下，测量总质量相同、铁的质量分数不同的铁炭混合物对水中Cu²⁺和Pb²⁺的去除率，结果如下图所示：

①当铁炭混合物中铁的质量分数为0时，也能去除少量的Cu²⁺和Pb²⁺，其原因是____________。

②当铁炭混合物中铁的质量分数大于50%时，随着铁的质量分数的增加，Cu²⁺和Pb²⁺的去除率不升反降，其主要原因是___________ 。

Answer

Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O 测最后一次洗涤液的PH，若为7，则说明铁屑已洗净 NO3-在酸性条件下氧化性强，易被铁屑还原 铁屑与H+反应生成H2 4Fe+NO3- +l0H+ = 4Fe2++NH4++3H2O 2Fe2++BH4-+4OH-=2Fe+B(OH)4-+2H2↑ 活性炭对Cu2+和Pb2+有吸附作用 铁的质量分数增加，铁炭混合物中微电池数目减少

【解析】试题分析：本题以污水处理为载体，主要考查离子方程式书写、离子检验、化学反应速率的影响因素等知识点，考查考生对问题的综合分析能力、图像分析能力、检验实验设计能力。

解析：（1）①除锈是利用铁锈与稀硫酸反应将Fe2O3转变成Fe2(SO4)3除去。正确答案：Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O。②除去铁锈后用蒸馏水洗涤是为了洗去残留在铁表面的H2SO4和Fe2(SO4)3，所以洗净后的铁表面应当没有H2SO4和Fe2(SO4)3，只要检验没有Fe3+、H+或SO42-中的任何一种，就可以说明铁屑已经洗净。正确答案：测最后一次洗涤滤液的PH，若为7，则说明铁屑已洗净（或取最后一次洗涤滤液加入BaCl2、稀盐酸，如果没有白色沉淀产生，说明铁屑已洗净）。（2）①KNO3溶液中增加H+浓度，可以增加NO3-的氧化性，使得铁与NO3-的反应能够更快进行。正确答案：NO3-在酸性条件下氧化性强，易被铁屑还原。②当H+浓度更大时，Fe与H+的置换会更快进行，从而导致与NO3-反应的Fe减少，NO3-的去除率下降。正确答案：铁屑与H+反应生成H2。（3）从图像可以看出，t1之前溶液中NO3-、H+因为参加反应浓度下降，反应生成Fe2+、NH4+导致这两种离子浓度增大，Fe2+来源于单质Fe，Fe也是反应物，则反应基本物质关系为Fe+NO3- +H+ →4Fe2++NH4+，配平后得到4Fe+NO3- +l0H+ = 4Fe2++NH4++3H2O。正确答案：4Fe+NO3- +l0H+ = 4Fe2++NH4++3H2O。（4）反应基本物质关系为Fe2++BH4-→Fe+B(OH)4-+H2↑，考虑到溶液呈碱性，配平得到2Fe2++BH4-+4OH-=2Fe+B(OH)4-+2H2↑。正确答案：2Fe2++BH4-+4OH-=2Fe+B(OH)4-+2H2↑。（5）①由于使用的是活性炭，活性炭有很强的吸附性，能够吸附水中的Cu2+、Pb2+离子使污水得到净化。正确答案：活性炭对Cu2+和Pb2+有吸附作用。②铁炭混合物中的Fe可以与Cu2+、Pb2+发生置换反应，炭的存在则可以在含Cu2+、Pb2+的污水中形成原电池，使得置换反应速率加快，而铁的质量分数增大时，炭的质量分数必然减小，则形成的微小原电池数目减少，反应速率随之减低，Cu2+、Pb2+去除率也就下降。正确答案：铁的质量分数增加，铁炭混合物中微电池数目减少。

点睛：①读图时要看清图像的坐标系，曲线的变化趋势，并在解题时加以应用。②检验实验设计需要先分析实验过程中的物质关系，明确试题中需要检验的具体物质，然后再进行实验设计。