Question

5．地下水中硝酸盐造成的氮污染已成为一个世界性的环境问题．文献报道某课题组模拟地下水脱氮过程，利用Fe粉和KNO₃溶液反应，探究脱氮原理及相关因素对脱氮速率的影响．
（1）实验前：①先用0.1mol•L^-1H₂SO₄洗涤Fe粉，其目的是去除铁粉表面的氧化物等杂质，然后用蒸馏水洗涤至中性；
②将KNO₃溶液的pH调至2.5；
③为防止空气中的O₂对脱氮的影响，应向KNO₃溶液中通入N₂（写化学式）．
（2）如图表示足量Fe粉还原上述KNO₃溶液过程中，测出的溶液中相关离子浓度、pH随时间的变化关系（部分副反应产物曲线略去）．请根据图中信息写出t₁时刻前该反应的离子方程式4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．t₁时刻后，该反应仍在进行，溶液中NH₄⁺的浓度在增大，Fe²⁺的浓度却没有增大，可能的原因是生成的Fe²⁺水解．
（3）该课题组对影响脱氮速率的因素提出了如下假设，请你完成假设二和假设三：
假设一：溶液的pH；
假设二：温度；
假设三：铁粉颗粒大小；
…．．
（4）请你设计实验验证上述假设一，写出实验步骤及结论．（已知：溶液中的NO₃^-浓度可用离子色谱仪测定）
实验步骤及结论：①分别取等体积、等浓度的KNO₃溶液于不同的试管中；
②调节溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N₂；
③分别向上述溶液中加入足量等质量的同种铁粉；
④用离子色谱仪测定相同反应时间时各溶液中NO₃^-的浓度；
若pH不同的KNO₃溶液中，测出的NO₃^-的浓度不同，表明pH对脱氮速率有影响，否则无影响．

Answer 1

分析 （1）铁表面有铁锈加入硫酸可除去，除去溶液中的氧气，可向溶液中通入氮气；
（2）根据图象判断出离子浓度减小的有H⁺、NO₃^-，增大的有Fe²⁺ 和NH₄⁺，故反应物为Fe和H⁺、NO₃^-，生成物为Fe²⁺
和NH₄⁺，可写出化学方程式为4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；Fe²⁺水解呈酸性，当溶液中PH较大时会促进Fe²⁺水解；
（3）在溶液中进行的反应，影响化学反应速率的外界因素有浓度、温度、溶液酸碱性、催化剂以及固体的表面积大小等；
（4）要验证溶液的pH对反应速率的影响，需其他条件相同，而溶液的酸碱性不同，结合题目中提供的信息，如：通入N₂除去O₂，用色谱仪测定溶液中NO₃^-的浓度等．

解答 解：（1）①H₂SO₄可以除去Fe粉表面的氧化物，
故答案为：去除铁粉表面的氧化物等杂质；
③为防止空气中的O₂对脱氮的影响，可向KNO₃溶液中通入N₂，排出O₂，
故答案为：N₂；
（2）t₁时刻前H⁺、NO₃^- 浓度减小，Fe²⁺ 和NH₄⁺的浓度增大，故反应的离子方程式为4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O．Fe粉足量，反应仍在进行，Fe²⁺的浓度没有增大的原因是发生了水解反应，因为溶液的pH增大，促进了水解，
故答案为：4Fe+NO₃^-+10H⁺═4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O；生成的Fe²⁺水解；
（3）影响反应速率的因素有浓度、溶液酸碱性、温度、铁粉颗粒大小等，
故答案为：铁粉颗粒大小；
（4）要验证溶液的pH对反应速率的影响，需其他条件相同，而溶液的酸碱性不同，结合题目中提供的信息，如：通入N₂除去O₂，用色谱仪测定溶液中NO₃^-的浓度等，
故答案为：
①分别取等体积、等浓度的KNO₃溶液于不同的试管中；
②调节溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N₂；
③分别向上述溶液中加入足量等质量的同种铁粉；
④用离子色谱仪测定相同反应时间时各溶液中NO₃^-的浓度；
若pH不同的KNO₃溶液中，测出的NO₃^-的浓度不同，表明pH对脱氮速率有影响，否则无影响．

点评 本题考查元素化合物的性质、除杂以及化学反应速率、化学平衡等问题，综合性较强，设计实验步骤，注意语言的条理性和严密性，题目难度中等．