Question

10．鐵及其化合物在環(huán)境保護領(lǐng)域應(yīng)用廣泛．

（1）常溫下Fe²⁺可作為2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的催化劑，其中一個反應(yīng)的離子方程式為4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，試寫出另一個反應(yīng)的離子方程式2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-．
（2）廢鐵屑可用于地下水脫氮．若pH=2.5時，用鐵粉還原水中NO₃^-，相關(guān)離子濃度、pH隨時間的變化關(guān)系如右圖（部分副反應(yīng)產(chǎn)物曲線略去）．請根據(jù)圖1中信息寫出t₁時刻之前發(fā)生反應(yīng)的離子方程式4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．
若將地下水通過廢鐵屑和活性炭的混合物，可以加快反應(yīng)并提高凈水效果，原因是形成原電池，加快反應(yīng)速率；活性炭能夠吸附水中的離子，使水凈化．
（3）Na₂FeO₄是一種殺菌、凈水的水處理劑．工業(yè)上可用如圖2裝置制備Na₂FeO₄，則陽極的電極反應(yīng)式為Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；可循環(huán)使用的物質(zhì)是NaOH溶液．
（4）新型納米材料ZnFe₂O_x由ZnFe₂O₄經(jīng)高溫用H₂還原而得，常溫下能使工業(yè)廢氣中的CO₂、SO₂、NO₂等酸性氣體分解成其單質(zhì)而除去，同時得到ZnFe₂O₄．若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反應(yīng)，則ZnFe₂O_x中的x=3.5，該反應(yīng)過程中的氧化劑是SO₂．

Answer 1

分析 （1）總的反應(yīng)2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的反應(yīng)減去4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，得到另一個反應(yīng)；
（2）根據(jù)圖示知道t₁時刻前，硝酸根離子、氫離子濃度逐漸減小，亞鐵離子濃度增大，則是金屬鐵和硝酸之間的反應(yīng)；根據(jù)原電池可以加快化學反應(yīng)速率來回答；
（3）依據(jù)陽極是鐵，故陽極上鐵放電生成FeO₄^2-結(jié)合堿性環(huán)境來寫出電極方程式；根據(jù)OH^-在陽極被消耗，而在陰極會生成來分析；
（4）若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反應(yīng)，則ZnFe₂O_X被還原為ZnFe₂O₄，令中鐵元素的化合價為a，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知4mol×2×（3-a）=1mol×4，和化學式中元素化合價代數(shù)和為零解答，二氧化硫的化合價降低，所以二氧化硫是氧化劑．

解答 解：（1）總的反應(yīng)2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄的反應(yīng)減去4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，得到2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-，故答案為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+4H⁺+SO₄^2-；
（2）根據(jù)圖示知道t₁時刻前，硝酸根離子、氫離子濃度逐漸減小，亞鐵離子濃度增大，則是金屬鐵和硝酸之間的反應(yīng)，即4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O，
將鐵屑和活性炭同時加入上述KNO₃溶液中，活性炭和鐵構(gòu)成了無數(shù)個微小的鐵碳原電池加快反應(yīng)速率（或活性炭吸附作用，降低溶液中NH₄⁺濃度），可以提高脫氮效果，故答案為：4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；形成原電池，加快反應(yīng)速率；活性炭能夠吸附水中的離子，使水凈化；
（3）陽極是鐵，故陽極上鐵放電生成FeO₄^2-，由于是堿性環(huán)境，故電極方程式為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
在電解時，水電離的H⁺在陰極放電：2H⁺+2e^-=H₂↑，c（OH^-）增大，Na⁺通過陽離子交換膜進入陰極區(qū)，使陰極區(qū)c（NaOH）增大，故NaOH可以循環(huán)使用，
故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；NaOH溶液；
（4）若4mol ZnFe₂O_x和 l mol SO₂恰好完全反應(yīng)，則ZnFe₂O_X被還原為ZnFe₂O₄，令中鐵元素的化合價為a，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知4mol×2×（3-a）=1mol×4，解之得a=3.5，二氧化硫的化合價降低，所以二氧化硫是氧化劑，故答案為：3.5；SO₂．

點評 本題考查氧化還原反應(yīng)的相關(guān)知識，學生在解題中應(yīng)巧炒應(yīng)用得失電子守恒和化學式中元素化合價代數(shù)和為零解答，比較容易．