Question

5．地下水中硝酸鹽造成的氮污染已成為一個(gè)世界性的環(huán)境問(wèn)題．文獻(xiàn)報(bào)道某課題組模擬地下水脫氮過(guò)程，利用Fe粉和KNO₃溶液反應(yīng)，探究脫氮原理及相關(guān)因素對(duì)脫氮速率的影響．
（1）實(shí)驗(yàn)前：①先用0.1mol•L^-1H₂SO₄洗滌Fe粉，其目的是去除鐵粉表面的氧化物等雜質(zhì)，然后用蒸餾水洗滌至中性；
②將KNO₃溶液的pH調(diào)至2.5；
③為防止空氣中的O₂對(duì)脫氮的影響，應(yīng)向KNO₃溶液中通入N₂（寫化學(xué)式）．
（2）如圖表示足量Fe粉還原上述KNO₃溶液過(guò)程中，測(cè)出的溶液中相關(guān)離子濃度、pH隨時(shí)間的變化關(guān)系（部分副反應(yīng)產(chǎn)物曲線略去）．請(qǐng)根據(jù)圖中信息寫出t₁時(shí)刻前該反應(yīng)的離子方程式4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．t₁時(shí)刻后，該反應(yīng)仍在進(jìn)行，溶液中NH₄⁺的濃度在增大，F(xiàn)e²⁺的濃度卻沒(méi)有增大，可能的原因是生成的Fe²⁺水解．
（3）該課題組對(duì)影響脫氮速率的因素提出了如下假設(shè)，請(qǐng)你完成假設(shè)二和假設(shè)三：
假設(shè)一：溶液的pH；
假設(shè)二：溫度；
假設(shè)三：鐵粉顆粒大小；
…．．
（4）請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述假設(shè)一，寫出實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論．（已知：溶液中的NO₃^-濃度可用離子色譜儀測(cè)定）
實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論：①分別取等體積、等濃度的KNO₃溶液于不同的試管中；
②調(diào)節(jié)溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N₂；
③分別向上述溶液中加入足量等質(zhì)量的同種鐵粉；
④用離子色譜儀測(cè)定相同反應(yīng)時(shí)間時(shí)各溶液中NO₃^-的濃度；
若pH不同的KNO₃溶液中，測(cè)出的NO₃^-的濃度不同，表明pH對(duì)脫氮速率有影響，否則無(wú)影響．

Answer 1

分析 （1）鐵表面有鐵銹加入硫酸可除去，除去溶液中的氧氣，可向溶液中通入氮?dú)猓?br />（2）根據(jù)圖象判斷出離子濃度減小的有H⁺、NO₃^-，增大的有Fe²⁺ 和NH₄⁺，故反應(yīng)物為Fe和H⁺、NO₃^-，生成物為Fe²⁺
和NH₄⁺，可寫出化學(xué)方程式為4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；Fe²⁺水解呈酸性，當(dāng)溶液中PH較大時(shí)會(huì)促進(jìn)Fe²⁺水解；
（3）在溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素有濃度、溫度、溶液酸堿性、催化劑以及固體的表面積大小等；
（4）要驗(yàn)證溶液的pH對(duì)反應(yīng)速率的影響，需其他條件相同，而溶液的酸堿性不同，結(jié)合題目中提供的信息，如：通入N₂除去O₂，用色譜儀測(cè)定溶液中NO₃^-的濃度等．

解答 解：（1）①H₂SO₄可以除去Fe粉表面的氧化物，
故答案為：去除鐵粉表面的氧化物等雜質(zhì)；
③為防止空氣中的O₂對(duì)脫氮的影響，可向KNO₃溶液中通入N₂，排出O₂，
故答案為：N₂；
（2）t₁時(shí)刻前H⁺、NO₃^- 濃度減小，F(xiàn)e²⁺ 和NH₄⁺的濃度增大，故反應(yīng)的離子方程式為4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．Fe粉足量，反應(yīng)仍在進(jìn)行，F(xiàn)e²⁺的濃度沒(méi)有增大的原因是發(fā)生了水解反應(yīng)，因?yàn)槿芤旱膒H增大，促進(jìn)了水解，
故答案為：4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；生成的Fe²⁺水解；
（3）影響反應(yīng)速率的因素有濃度、溶液酸堿性、溫度、鐵粉顆粒大小等，
故答案為：鐵粉顆粒大�。�
（4）要驗(yàn)證溶液的pH對(duì)反應(yīng)速率的影響，需其他條件相同，而溶液的酸堿性不同，結(jié)合題目中提供的信息，如：通入N₂除去O₂，用色譜儀測(cè)定溶液中NO₃^-的濃度等，
故答案為：
①分別取等體積、等濃度的KNO₃溶液于不同的試管中；
②調(diào)節(jié)溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N₂；
③分別向上述溶液中加入足量等質(zhì)量的同種鐵粉；
④用離子色譜儀測(cè)定相同反應(yīng)時(shí)間時(shí)各溶液中NO₃^-的濃度；
若pH不同的KNO₃溶液中，測(cè)出的NO₃^-的濃度不同，表明pH對(duì)脫氮速率有影響，否則無(wú)影響．

點(diǎn)評(píng) 本題考查元素化合物的性質(zhì)、除雜以及化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡等問(wèn)題，綜合性較強(qiáng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，注意語(yǔ)言的條理性和嚴(yán)密性，題目難度中等．