制備氫氧化亞鐵實驗方案再探究

徐建飛+張平+杜淑賢

摘要：按教材實驗，通過溶液反應得到的氫氧化亞鐵沉淀往往由白色逐步變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色。為能合理解釋該實驗現(xiàn)象，設計實驗方案進行了探究及改進。結(jié)果表明：用硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液反應制取氫氧化亞鐵，新生成的氫氧化亞鐵沉淀具有吸附性，可以吸附溶液中亞鐵離子而顯示灰綠色。采用在氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵（使溶液中沒有過量Fe2+）和水浴加熱（促使過量Fe2+水解）的方法，使得到的氫氧化亞鐵是白色絮狀沉淀。

關(guān)鍵詞：氫氧化亞鐵；制備；沉淀顏色；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）7–0054–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 課題的由來

1.1 化學教材對氫氧化亞鐵實驗的描述

通過資料檢索和文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，制取氫氧化亞鐵實驗是中學化學和大學無機化學教學中一個非常重要的演示實驗。在現(xiàn)行經(jīng)教育部審定使用的中學化學教材和大學無機化學教材上都有制備氫氧化亞鐵的演示實驗。

中學化學教材上的描述：在試管中加入5mL氫氧化鈉溶液，然后把吸有硫酸亞鐵溶液的長滴管插入試管中氫氧化鈉溶液的液面下，再慢慢擠出長滴管中硫酸亞鐵溶液。

觀察到的實驗現(xiàn)象是：先產(chǎn)生白色沉淀，后變灰綠色，最后變紅褐色。

原因是：生成的氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，易被空氣中的氧氣氧化成氫氧化鐵。所以，看到有灰綠色、紅褐色等一系列的顏色變化。

在大學無機化學教材上對本實驗的現(xiàn)象描述是：氫氧化鈉與硫酸亞鐵反應先生成白色沉淀，后很快變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色。原因是生成的氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，易被空氣中的氧氣氧化成氫氧化鐵。

1.2 做制取氫氧化亞鐵演示實驗結(jié)果與教材上描述不一致

按教材上的順序做硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液反應制取氫氧化亞鐵的實驗時，通常只看到有大量淺綠色沉淀生成。在很長一段時間后看到試管中淺綠色懸濁液上方液面交界處有一圈紅褐色。

2 課題的探究過程

2.1 對“白色沉淀、灰綠色沉淀、紅褐色沉淀”組成的探究

查閱了很多資料后可知，對氫氧化亞鐵是白色沉淀，氫氧化鐵是紅褐色沉淀沒有歧義。但對灰綠色沉淀的組成有多種說法。

化學類學術(shù)期刊對淺綠色沉淀組成的描述主要有以下三種觀點：

（1）張英鋒老師發(fā)表在《化學教育》雜志上的“也談灰綠色物質(zhì)——綠銹的組成”一文中指出：“灰綠色物質(zhì)是由氫氧化鐵和氫氧化亞鐵按一定比例組成的物質(zhì)。[1]”

（2）李俊生老師發(fā)表在《化學教學》雜志上的“對灰綠色物質(zhì)的組成及形成規(guī)律的再分析”一文中指出：“灰綠色物質(zhì)是由氫氧化亞鐵在大量硫酸根離子存在的情況下形成的Fe6（SO4）2（OH）4O2，這是一種氧基堿式復鹽，是一種沉淀，也是一種配合物。[2]”

（3）李俊生老師發(fā)表在《中小學實驗與裝備》雜志上的“對一典型化學實驗題的再分析”一文中又指出：“灰綠色物質(zhì)是氫氧化亞鐵的水合物。[3]”

第一種說法占主要地位，中學化學教材和大學無機化學教材中也認定“灰綠色沉淀是由氫氧化鐵和氫氧化亞鐵組成的混合物”（即氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，易被空氣中的氧氣氧化為氫氧化鐵）。

2.2 對“灰綠色沉淀”組成的實驗驗證與探究

2.2.1 對“灰綠色是由氫氧化亞鐵在大量硫酸根離子存在的情況下形成的一種氧基堿式復鹽”的實驗驗證與探究

為了驗證“灰綠色是由氫氧化亞鐵在大量硫酸根離子存在的情況下形成的一種氧基堿式復鹽”的結(jié)論，根據(jù)控制變量法的原理，設計了下列對照實驗：取三支試管分別滴入5mL氫氧化鈉溶液，再用滴管按教材上演示實驗方法分別滴入硫酸亞鐵溶液、氯化亞鐵溶液和硝酸亞鐵溶液。實驗結(jié)果如下表1所示。

從上述對照實驗現(xiàn)象可知，這種對灰綠色沉淀組成的解釋是不正確的。因為后兩組實驗中沒有硫酸根離子存在，但也是產(chǎn)生灰綠色沉淀，所以灰綠色沉淀不可能是“由氫氧化亞鐵在大量硫酸根離子存在的情況下形成的一種氧基堿式復鹽”。

2.2.2 對“灰綠色是由氫氧化鐵和氫氧化亞鐵組成的物質(zhì)”的實驗驗證與探究

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)[4]，對“灰綠色沉淀是由氫氧化鐵和氫氧化亞鐵組成的物質(zhì)”的說法是中學化學教材、大學無機化學教材和化學類期刊中的主要觀點。它們得出這個結(jié)論的主要依據(jù)是氫氧化亞鐵很容易被空氣中的氧氣氧化為氫氧化鐵。所以顯示的顏色是白色和紅褐色的中間色——淺綠色、灰綠色等。

根據(jù)調(diào)色原理可知，白色和紅褐色的調(diào)和色不可能是淺綠色、灰綠色，即灰綠色沉淀不可能是氫氧化亞鐵和氫氧化鐵的混合物。

所以，取一定量的灰綠色沉淀，先加入足量鹽酸，看到灰綠色沉淀全部溶解，再加入硫氰化鉀溶液，結(jié)果沒有看到溶液變血紅色，說明原來灰綠色沉淀中不含氫氧化鐵。

由此得出，灰綠色沉淀不可能是由氫氧化亞鐵被空氣中氧氣氧化后生成的氫氧化鐵和氫氧化亞鐵組成的混合物。即灰綠色沉淀與氫氧化鐵無關(guān)。

2.2.3 對“灰綠色是氫氧化亞鐵的水合物”的實驗驗證與探究

對“灰綠色是氫氧化亞鐵的水合物”的結(jié)論，2012年，張旭旻老師在“氫氧化亞鐵制備實驗的研究”一文中認為氫氧化亞鐵低溫下會增加結(jié)晶水，并使顏色變綠，經(jīng)水浴加熱后會由綠變白，是失結(jié)晶水之故（該文獲全國化學實驗改進方案一等獎）。

2014年，劉彩紅老師在《化學教學》雜志上的“氫氧化亞鐵制備實驗的設計”一文中也提及到氫氧化亞鐵沉淀加熱后會由綠變白[5]。

張旭旻老師和劉彩紅老師的實驗證明氫氧化亞鐵沉淀在常溫呈綠色，水浴加熱后會變白色。他們對這個現(xiàn)象的解釋是氫氧化亞鐵低溫下會增加結(jié)晶水，使顏色變綠，經(jīng)水浴加熱后會由綠變白，并有白色沉淀產(chǎn)生，其原因是失去了結(jié)晶水。

筆者認為她們的實驗現(xiàn)象無誤，但不能進一步證明她們的解釋是否正確。因為氫氧化亞鐵在水溶液中是否帶有結(jié)晶水，沒有經(jīng)過定量分析和分子結(jié)構(gòu)檢測，無法證實或證偽。

2.3 對淺綠色的新猜想和實踐探究

筆者的觀點是：氫氧化亞鐵是白色膠狀沉淀，因吸附了溶液中淺綠色的亞鐵離子，而使白色沉淀變成淺綠色。

如果筆者假設成立，教材上提供的制取氫氧化亞鐵的步驟中把“氫氧化鈉溶液加入硫酸亞鐵溶液中”則不正確，應改為“把硫酸亞鐵溶液加入氫氧化鈉溶液中”。其原因有兩點：（1）在氫氧化鈉溶液加入硫酸亞鐵溶液中，生成的氫氧化亞鐵馬上會吸附溶液中沒有反應的大量亞鐵離子，而使沉淀顯淺綠色；（2）在氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵溶液反應生成氫氧化亞鐵后，溶液中只有過量的氫氧根離子，不會有過量的亞鐵離子存在，所以沉淀不會顯綠色。

如果以上假設成立，那么所用的硫酸亞鐵溶液的濃度應越小越好；氫氧化鈉溶液濃度應越大越好。

筆者設計了下列三個實驗方案以證明自己的假設。實驗過程中觀察到的實驗現(xiàn)象如表2、表3所示：

上述實驗現(xiàn)象證實筆者的設想，即在氫氧化鈉溶液濃度一定的條件下，硫酸亞鐵溶液的濃度越小，溶液中游離的亞鐵離子越少，產(chǎn)生的氫氧化亞鐵沉淀吸附亞鐵離子的量越少，所以產(chǎn)生白色沉淀的現(xiàn)象越明顯。

上述實驗現(xiàn)象證實筆者的設想，即在硫酸亞鐵溶液濃度一定（且取很小值）的條件下，氫氧化鈉溶液的濃度越大，溶液中游離的亞鐵離子越少，產(chǎn)生的氫氧化鐵沉淀吸附亞鐵離子的量越少，所以產(chǎn)生白色沉淀的現(xiàn)象越明顯。

上述兩組實驗結(jié)果證明筆者的猜想是正確的。根據(jù)猜想，設計了第三組實驗，即在硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液濃度不變的條件下，改變滴加硫酸亞鐵的方式，實驗操作和現(xiàn)象如下表4所示。

毛細滴管口徑小，擠出的硫酸亞鐵的量比普通滴管的量更少，不斷移動位置是防止亞鐵離子局部過量。由上表中實驗現(xiàn)象進一步證明筆者的設想正確。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)生淺綠色沉淀的原因

制取氫氧化亞鐵實驗時產(chǎn)生顏色不同的實驗現(xiàn)象與氫氧化鈉溶液和硫酸亞鐵溶液滴加順序不同和所配溶液濃度不同有關(guān)，觀察到淺綠色沉淀的原因是氫氧化亞鐵沉淀具有吸附性，吸附了溶液中過量的呈淺綠色的亞鐵離子造成的。

3.2 制備氫氧化亞鐵的最佳方法

由上述猜想和定量實驗驗證，得出制備氫氧化亞鐵的最佳方法是：

試劑：8 mol/L氫氧化鈉溶液；0.1 mol/L硫酸亞鐵溶液。

滴加順序：在試管中加入5mL 8 mol/L氫氧化鈉溶液，用毛細滴管吸取0.1 mol/L硫酸亞鐵溶液，滴管尖端插入液面下，慢慢擠一點；移動位置后再擠一點……

現(xiàn)象：觀察到有白色的氫氧化亞鐵沉淀生成。

加入硫酸亞鐵溶液量多后，白色沉淀慢慢變成淺綠色。

原因：硫酸亞鐵量多后，氫氧化亞鐵沉淀吸附了過量的亞鐵離子而顯示綠色。

3.3 溫度對氫氧化鐵制備實驗的影響及原因分析

筆者做上述實驗時用的都是常溫下的試劑，整個實驗過程都沒有進行過加熱，氫氧化鈉溶液也是用實驗室現(xiàn)有的蒸餾水配制（沒有煮沸過），更沒有采用液封等措施。

上述實驗現(xiàn)象證明筆者的觀點是正確的。氫氧化亞鐵沉淀的顏色與是否帶結(jié)晶水無關(guān)，而與吸附亞鐵離子有關(guān)。

筆者也做了帶淺綠色的氫氧化亞鐵沉淀在水浴中加熱的實驗，得到的實驗現(xiàn)象與張旭旻老師的實驗現(xiàn)象相似。

筆者對氫氧化亞鐵沉淀水浴加熱后由綠變白，并有片狀白色沉淀下沉的原因分析是硫酸亞鐵是由強酸弱堿組成的鹽，由于鹽的水解是吸熱反應，加熱后會促進亞鐵離子水解，而使氫氧化亞鐵沉淀表面吸附的亞鐵離子轉(zhuǎn)化為氫氧化亞鐵沉淀，而使沉淀顏色由綠變白，同時由于沉淀量的增多，而產(chǎn)生有片狀白色沉淀下沉的現(xiàn)象。

綜上所述，建議教材上應把氫氧化鈉與硫酸亞鐵反應產(chǎn)生的現(xiàn)象和原因的分析改為：有白色沉淀或綠色沉淀生成，原因是氫氧化亞鐵是白色沉淀，因吸附溶液中亞鐵離子而顯綠色。

參考文獻：

[1]張英鋒.也談灰綠色物質(zhì)——綠銹的組成[J].化學教育，2009，（1）：71～72.

[2]李俊生.對灰綠色物質(zhì)的組成及形成規(guī)律的再分析[J].化學教學，2005，（9）：59～61.

[3]李俊生.對一典型化學實驗題的再分析[J].中小學實驗與裝備，2009，（6）：55～56.

[4]劉炎昭等.灰綠色氫氧化亞鐵成因的實驗探析[J].中學化學教學參考，2014，（5）：51～52.

[5]劉彩紅.氫氧化亞鐵制備實驗的設計[J].化學教學2014，（9）：52～53.