Question

3．某文獻報道可將ASBBR（一種生物膜反應器）用在有PO₄^3-存在的環(huán)境中除磷，有一類微生物可在其中將PO₄^3-還原為PH₃，這項研究為解決含磷污染物的凈化問題提供了新思路．某課題組在無氧環(huán)境中，用某腌制廠中含NO₃^-的廢水對上述磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷效率進行實驗分析．
（1）預測分析階段
該課題組對除磷效率可能受到的影響因素提出了一些假設，請完成以下可能的假設．
假設一：溶液中NO₃^-的濃度大��；（NO₃^-的濃度通過儀器可精確測定，單位：mg•L^-1 ）
假設二：實驗的不同溫度
假設三：溶液PH不同
（2）實驗準備階段
①配制含NO₃^-濃度不同的溶液并可通過通入氮氣或加熱煮沸方法除去溶液中溶有的O₂．
②將每份溶液的pH調到7.3（通過pH計進行精確控制）．
（3）該小組在恒溫30℃的實驗條件下，進行12小時實驗后得到除磷效率的關系圖如圖．根據圖，若某廢水中 的 c（PO₄^3-）為amol•L^-1，進水NO₃^-濃度為105mg•L^-1時的PO₄^3-除去率約為40%，則此段時間內用PO₄^3-濃度變化表示的除磷速率是$\frac{a}{30}$mol/（L•h）． 對于進水中隨NO₃^-濃度的增大導致除磷效率的降低原因進行分析后得知：是生成的PH₃被NO₃^-又氧化生成PO₄^3-的緣故，請完成該反應的離子方程式：
5PH₃+8NO₃^-+3H⁺=5 H₂PO₄^-+4N₂+4H₂O．
（4）拓展探究階段
水體中的磷元素主要來源于糞便、合成洗滌劑等．污水中大部分的磷元素可被轉化為Ca₃（PO₄）₂沉淀而除去，未除去的部分納入水體．已知CaHPO₄的溶解性類似于 Ca₃（PO₄）₂也是一種難溶物．
請列舉水體中磷污染的一種事實或現象：水體富營養(yǎng)化，導致赤潮或水華
Na₂HPO₄溶液中加人CaCl₂溶液會產生白色沉淀，此沉淀可能是CaHPO₄也可能是Ca₃（PO₄）₂，請設計實驗加以驗證是哪一種沉淀，寫出簡單的實驗步驟、現象和所得結論：（試劑選擇僅限于：Na₂HPO₄溶液、CaCl₂溶液、石蕊試液、酚酞試液、AgNO₃溶液）向Na₂HP₄溶液中加入過量的氯化鈣溶液，待沉淀完全后，向上層清液中滴加紫色石蕊溶液，若溶液變紅色表明沉淀為Ca₃（PO₄）₂，若不變色表明沉淀為CaHPO₄．

Answer 1

分析 （1）用某腌制廠中含NO₃^-的廢水對上述磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷效率進行實驗分析，該課題組對除磷效率可能受到的影響因素提出了一些假設，可能是溫度、濃度、溶液酸堿性等；
（2）①在無氧環(huán)境中，用某腌制廠中含NO₃^-的廢水對上述磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷效率進行實驗分析，溶液中除去氧氣的方法可以用加熱煮沸等方法除去；
（3）12小時后PO₄^3-除去率約為40%，除磷速率=$\frac{△c}{△t}$，離子方程式中PH₃中磷元素化合價-3價變化為+5價，氮元素化合價+5價變化為0價，電子轉移總數為40e^-，結合電子守恒、電荷守恒、原子守恒配平書寫離子方程式；
（4）赤潮和水華是因為N、P元素過剩，導致藻類瘋長，引起水中缺氧，生物大量死亡．Ca₃（PO₄）₂、CaHPO₄均為難溶于水的白色固體，向Na₂HPO₄溶液中滴加CaCl₂溶液至恰好反應，若反應后溶液為酸性，則生成Ca₃（PO₄）₂，檢驗反應后溶液的酸性即可證明．

解答 解：（1）某課題組在無氧環(huán)境中，用某腌制廠中含NO₃^-的廢水對上述磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷效率進行實驗分析，對除磷效率可能受到的影響因素是溶液中NO₃^-的濃度大小、實驗的不同溫度、溶液PH不同等，故答案為：實驗的不同溫度、溶液PH不同；
（2）在無氧環(huán)境中，用某腌制廠中含NO₃^-的廢水對上述磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷效率進行實驗分析，溶液中除去氧氣的方法可以用加熱煮沸等方法除去或通入氮氣方法除去溶液中溶有的O₂，通入氮氣或加熱煮沸，
故答案為：通入氮氣或加熱煮沸；
（3）該小組在恒溫30℃的實驗條件下，進行12小時實驗后得到除磷效率的關系圖如圖．根據圖，若某廢水中 的 c（PO₄^3-）為amol•L^-1，進水NO₃^-濃度為105mg•L^-1時的PO₄^3-除去率約為40%，則此段時間內用PO₄^3-濃度變化表示的除磷速率=$\frac{amol/L×40%}{12h}$=$\frac{a}{30}$mol/（L•h），離子方程式中PH₃中磷元素化合價-3價變化為+5價，氮元素化合價+5價變化為0價，電子轉移總數為40e^-，根據電荷守恒反應前缺項為氫離子，結合電子守恒、電荷守恒、原子守恒配平書寫離子方程式為：5PH₃+8NO₃^-+3H⁺=5H₂PO₄-+4N₂+4H₂O，
故答案為：$\frac{a}{30}$mol/（L•h）；5，8，3H⁺，5，4，4H₂O；
（4）水體中磷污染，能使水中藻類植物大量繁殖，會引起水體富營養(yǎng)化，導致水棲生物大量死亡，赤潮是在特定的環(huán)境條件下，海水中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現象，藻類生長需要大量的N、P元素，如果水體中N、P元素嚴重超標，會引起藻類瘋長，從而導致水中氧氣含量降低，水生生物大量死亡，海水中常稱為赤潮，淡水中稱為水華，Na₂HPO₄溶液中加人CaCl₂溶液會產生白色沉淀，此沉淀可能是CaHPO₄也可能是Ca₃（PO₄）₂，設計實驗加以驗證是哪一種沉淀的原理為：若生成物的混合物顯強酸性，則生成的沉淀為Ca₃（PO₄）₂，2Na₂HPO₄+3CaCl₂=Ca₃（PO₄）₂↓+4NaCl+2HCl，若生成物的混合物不顯酸性，則生成的沉淀為CaHPO₄，發(fā)生Na₂HPO₄+CaCl₂=CaHPO₄↓+2NaCl，具體步驟、現象和所得結論為：向Na₂HP₄溶液中加入過量的氯化鈣溶液，待沉淀完全后，向上層清液中滴加紫色石蕊溶液，若溶液變紅色表明沉淀為Ca₃（PO₄）₂，若不變色表明沉淀為CaHPO₄，
故答案為：水體富營養(yǎng)化，導致赤潮或水華；向Na₂HP₄溶液中加入過量的氯化鈣溶液，待沉淀完全后，向上層清液中滴加紫色石蕊溶液，若溶液變紅色表明沉淀為Ca₃（PO₄）₂，若不變色表明沉淀為CaHPO₄；

點評 本題考查物質的鑒別實驗方案的設計，為高頻考點，側重元素化合物性質的考查，把握信息及發(fā)生的反應為解答的關鍵，注意物質檢驗的方法設計，題目難度中等．