Question

15．鐵炭混合物（鐵屑和活性炭的混合物）、納米鐵粉均可用于處理水中污染物．
（1）鐵炭混合物在水溶液中可形成許多微電池．將含有Cr₂O₇^2-的酸性廢水通過鐵炭混合物，在微電池正極上Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，其電極反應式為Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O．
（2）在相同條件下，測量總質量相同、鐵的質量分數不同的鐵炭混合物對水中Cu²⁺和Pb²⁺的去除率，結果如圖1所示．
①當鐵炭混合物中鐵的質量分數為0時，也能去除水中少量的Cu²⁺和Pb²⁺，其原因是活性炭對Cu²⁺和Pb²⁺有吸附作用．
②當鐵炭混合物中鐵的質量分數大于50%時，隨著鐵的質量分數的增加，Cu²⁺和Pb²⁺的去除率不升反降，其主要原因是鐵的質量分數增加，鐵炭混合物中微電池數目減少．
（3）納米鐵粉可用于處理地下水中的污染物．
①一定條件下，向FeSO₄溶液中滴加堿性NaBH₄溶液，溶液中BH₄^-（B元素的化合價為+3）與Fe²⁺反應生成納米鐵粉、H₂和B（OH）₄^-，其離子方程式為2Fe²⁺+BH₄^-+4OH^-=2Fe+B（OH）₄^-+2H₂↑．
②納米鐵粉與水中NO₃^-反應的離子方程式為4Fe+NO₃^-+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O
研究發現，若pH偏低將會導致NO₃^-的去除率下降，其原因是納米鐵粉與H⁺反應生成H₂．
③相同條件下，納米鐵粉去除不同水樣中NO₃^-的速率有較大差異（見圖2），產生該差異的可能原因是Cu或Cu²⁺催化納米鐵粉去除NO₃^-的反應（或形成的Fe-Cu原電池增大納米鐵粉去除NO₃^-的反應速率）．

Answer 1

分析 （1）正極上Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，發生還原反應，結合電荷守恒書寫電極方程式；
（2）①當鐵炭混合物中鐵的質量分數為0時，則只有碳粉，碳粉具有吸附性，可去除水中少量的Cu²⁺和Pb²⁺；
②隨著鐵的質量分數的增加，形成的微電池數目減少，則Cu²⁺和Pb²⁺的去除率不升反降；
（3）①向FeSO₄溶液中滴加堿性NaBH₄溶液，溶液中BH₄^-（B元素的化合價為+3）與Fe²⁺反應生成納米鐵粉、H₂和B（OH）₄^-，反應中只有Fe、H元素化合價發生變化，結合質量守恒、電荷守恒可寫出離子方程式；
②pH偏低，氫離子濃度偏大，則鐵可與氫離子反應生成氫氣；
③由圖2可知銅離子濃度越大，去除率越大，銅離子可起到催化作用，也可能形成原電池反應．

解答 解：（1）正極上Cr₂O₇^2-轉化為Cr³⁺，發生還原反應，在酸性溶液中，電極方程式為Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O，
故答案為：Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；
（2）①當鐵炭混合物中鐵的質量分數為0時，則只有碳粉，可去除水中少量的Cu²⁺和Pb²⁺，原因是碳粉具有吸附性，也可起到凈水的作用，
故答案為：活性炭對Cu²⁺和Pb²⁺具有吸附作用；
②隨著鐵的質量分數的增加，形成的微電池數目減少，反應速率減小，則Cu²⁺和Pb²⁺的去除率不升反降，
故答案為：鐵的質量分數增加，鐵炭混合物中微電池數目減少；
（3）①向FeSO₄溶液中滴加堿性NaBH₄溶液，溶液中BH₄^-（B元素的化合價為+3）與Fe²⁺反應生成納米鐵粉、H₂和B（OH）₄^-，反應中只有Fe、H元素化合價發生變化，發生氧化還原反應，離子方程式為2Fe²⁺+BH₄^-+4OH^-=2Fe+2H₂↑+B（OH）₄^-，
故答案為：2Fe²⁺+BH₄^-+4OH^-=2Fe+2H₂↑+B（OH）₄^-；
②pH偏低，氫離子濃度偏大，則鐵可與氫離子反應生成氫氣，可導致NO₃^-的去除率下降，故答案為：納米鐵粉與H⁺反應生成H₂；
③由圖2可知銅離子濃度越大，去除率越大，銅離子可起到催化作用，也可能形成原電池反應，
故答案為：Cu或Cu²⁺催化納米鐵粉去除NO₃^-的反應（或形成Fe-Cu原電池增大納米鐵粉去除NO₃^-的反應速率）．

點評 本題考查物質的分離、提純，側重于化學與生后、環境的考查，題目有利于培養學生的良好的科學素養，側重于考查學生的分析、實驗能力的考查，注意把握提給信息以及物質的性質，為解答該題的關鍵，難度中等．