Question

17．某同学看到“利用零价铁还原NO₃^-脱除地下水中硝酸盐”的相关资料后，利用如下装置探究铁粉与KNO₃溶液的反应．实验过程如下：
i．打开弹簧夹，缓慢通入N₂，并保持后续反应均在N₂氛围中进行；
ii．加入pH 已调至2.5 的 0.01mol•L^-1KNO₃酸性溶液100mL，一段时间后铁粉部分溶解，
溶液逐渐变为浅绿色；待铁粉不再溶解，静置后发现，剩余固体表面有少量白色物
质附着；
iii．过滤剩余固体时，表面的白色物质变为红褐色；
iv．检测到滤液中存在NO₃^-、NH₄⁺和Fe²⁺．
（1）通入N₂并保持后续反应均在N₂ 氛围中进行的实验目的是避免空气中氧气对Fe与NO₃^-离子反应的干扰．
（2）白色物质是Fe（OH）₂，用化学方程式解释其变为红褐色的原因：4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃．
（3）用K₃[Fe（CN）₆]检验滤液中Fe²⁺的实验方案是取滤液，加入几滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，有蓝色沉淀生成，证明滤液中存Fe²⁺，．
（4）取少量滤液，向其中加入几滴KSCN 溶液，无明显现象；再加入几滴稀硫酸，溶液呈红色．溶液变成红色的原因是溶液中存在Fe²⁺、NO₃^-离子，加入硫酸，发生反应：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O，生成的Fe³⁺和SCN^-反应使溶液呈红色．
（5）该同学进一步查阅资料发现，用铁粉、碳粉的混合物脱除硝酸盐，效果更佳．他用上述KNO₃溶液继续设计如下实验，探究碳粉的作用

假设	实验操作	现象及结论
假设1：碳粉可用作还原剂，脱除硝酸盐	向烧杯中加入 碳粉一段时间后，测定烧杯中NO3-的浓度	NO3-浓度无明显变化，说明假设不成立
假设2：碳粉、铁粉形成无数个微小的原电池，促进了硝酸盐的脱除	按下图所示组装实验装置，一段时间后，测定NO3-浓度	Fe电极部分溶解，电流计指针偏转，说明假设2成立

③关于碳粉的作用，还可以提出的假设是碳粉作为催化剂，提高脱除硝酸盐反应速率．

Answer 1

分析 （1）空气中氧气会影响Fe与硝酸根离子的反应；
（2）铁粉部分溶解，溶液逐渐变为浅绿色，说明有Fe²⁺生成，酸性减弱Fe²⁺水解得到Fe（OH）₂，氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁，颜色变为红褐色；
（3）取滤液，加入几滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，有蓝色沉淀生成，注明滤液中存Fe²⁺；
（4）溶液中存在亚铁离子、硝酸根离子，亚铁离子含有还原性，硝酸根再酸性条件下具有氧化性，亚铁离子被氧化为铁离子；
（5）假设1：探究的是碳粉直接与NO₃^-反应效果，加入碳粉即可，作对照试验，溶液选取与原题中相同；
假设2：构成原电池，负极电极反应式：Fe-2e^-=Fe²⁺，正极NO₃^-被还原；
③碳粉作为催化剂，提高脱除硝酸盐反应速率．

解答 解：（1）用氮气排尽装置中空气，避免空气中氧气对Fe与NO₃^-离子反应的干扰，
故答案为：避免空气中氧气对Fe与NO₃^-离子反应的干扰；
（2）铁粉部分溶解，溶液逐渐变为浅绿色，说明有Fe²⁺生成，待铁粉不再溶解，静置后发现，剩余固体表面有少量白色物，酸性减弱Fe²⁺水解得到Fe（OH）₂，白色物质为氢氧化亚铁，被氧化为氢氧化铁，颜色变为红褐色，反应方程式为：4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃，
故答案为：Fe（OH）₂；4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃；
（3）用K₃[Fe（CN）₆]检验滤液中Fe²⁺的实验方案是：取滤液，加入几滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，有蓝色沉淀生成，证明滤液中存Fe²⁺，
故答案为：取滤液，加入几滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，有蓝色沉淀生成，证明滤液中存Fe²⁺；
（4）溶液中存在Fe²⁺、NO₃^-离子，加入硫酸，发生反应：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O，生成的Fe³⁺和SCN^-反应使溶液呈红色，
故答案为：溶液中存在Fe²⁺、NO₃^-离子，加入硫酸，发生反应：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O，生成的Fe³⁺和SCN^-反应使溶液呈红色；
（5）假设1：探究的是碳粉直接与NO₃^-反应效果，加入碳粉即可，作对照试验，溶液选取与原题中相同；
假设2：构成原电池，负极电极反应式：Fe-2e^-=Fe²⁺，正极NO₃^-被还原，Fe电极部分溶解，电流计指针偏转等，说明假设2成立，
③碳粉作为催化剂，提高脱除硝酸盐反应速率，
故答案为：碳粉；Fe电极部分溶解，电流计指针偏转；碳粉作为催化剂，提高脱除硝酸盐反应速率．

点评 本题考查探究实验方案问题，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础、分析解决问题的能力，注意对基础知识的理解掌握．