鋅與氯化鐵溶液反應的再探究及思考

蔣紅年 李惠勇

摘要：鋅與氯化鐵溶液的反應，不同文獻中的結論不盡相同，為搞清楚該反應的實質，借助數字化壓力傳感器和溫度傳感器重新進行了實驗探究。為確定反應過程生成沉淀的原因，對反應前后溶液的pH進行了測定。通過探究得出，該反應是分為兩個階段完成的，并從理論上對此反應機理作了解釋。

關鍵詞：鋅粉；氯化鐵溶液；壓力傳感器；溫度傳感器；反應歷程

文章編號：1005–6629（2016）10–0042–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 背景

鋅與氯化鐵溶液的反應一直以來都有許多人在探究，但是得出的結論卻不盡相同。潘明忠老師[1]認為只要鋅粉足量就會有單質鐵生成；劉映進、柳兆華老師[2]認為該反應一開始就有氫氣生成，但即使鋅粉過量也沒有單質鐵生成。同時該反應還是考試的熱點，如2014年安徽省高考卷的第8題：

該題的答案就是D，也就是認為Fe3+溶液和足量的Zn反應可以全部生成鐵。筆者借助于數字化傳感器對該實驗再次進行了探究。

2 實驗步驟

在以往的探究中，對該反應有無氫氣生成采用的判斷標準是有無氣泡，若有氣泡產生則有氫氣生成，反之則沒有。用這種方法精確度較差，若產生氫氣的量較少或速率較慢則無法判斷，而壓力傳感器則可以精確地捕捉到這種細微變化，所以本實驗引入了壓力傳感器；鋅與氯化鐵溶液的反應是放熱反應，反應過程中溶液溫度升高也會使壓力增大，在實驗過程中同時測量溫度和壓力的實時變化并借助氣體狀態方程，則可以判斷出壓力的變化是由溫度升高所致還是由產生氫氣所致。

實驗方案克服了以往實驗精度較差、判斷標準較為粗糙主觀的缺點，精確地判斷出該反應分為兩個階段，并通過測定反應前后的pH，從沉淀溶解平衡的角度，通過計算解釋了Fe3+濃度較大時不沉淀、濃度較小時卻沉淀的原因。

依據以上思路，設計實驗步驟如下：

（1）配置500mL 1 mol/L的FeCl3水溶液，并用pH傳感器測定其pH約為0.70（見圖1），測得實驗室溫度約為：4.5℃。

（2）將所配的氯化鐵溶液全部倒入一個雙頸燒瓶中，依據方程式：“3Zn+2FeCl3=2Fe+3ZnCl2”，可知鋅粉與氯化鐵按物質的量之比為3：2的比例進行反應，當FeCl3為0.5mol時，所需鋅粉為0.75mol，實驗時加入1mol鋅粉即65g，以保證鋅粉足量、使氯化鐵完全反應。實驗裝置如圖2所示：

立即用溫度傳感器和壓力傳感器測量反應過程中的溫度和壓強變化，并測量反應進行2000s后溶液的pH。數據如下：最高溫度30.1℃，最高壓強108.8kPa，反應后溶液的pH約為4.95。

（3）向反應后的溶液中加入足量的氫氧化鈉以溶解過量的鋅粉，充分反應后過濾，將濾渣晾干，用磁鐵吸引濾渣，驗證是否有單質鐵生成。

3 實驗過程的現象描述及解釋

3.1 第一階段現象及理論分析

前期實驗時，發現反應開始后，溶液溫度迅速上升，但是看不到氣泡。為了搞清楚：①這是因為完全沒有氫氣產生呢？還是速率較慢產生氫氣的量較少看不出來呢？于是使用了壓力傳感器，結果發現壓強有稍許增大，同時溫度也升高了；②壓強增大是因為產生了氫氣的緣故呢？還是溫度升高的緣故呢？于是增加了溫度傳感器，同時測定溫度和壓強的變化。根據實驗數據，可以通過氣體狀態方程進行推算：

反應后溶液變為淺綠色，取反應后的上層清液向其中加入酸性高錳酸鉀溶液，高錳酸鉀溶液迅速褪色，進一步證明了Fe2+的存在，發生的反應為2Fe3++Zn=2Fe2++Zn2+，反應過程中，觀察到瓶底產生紅褐色絮狀沉淀，說明有Fe（OH）3生成。

所以此階段發生的反應有：

該階段既然有FeCl3被消耗，其濃度就會減小，對反應①來說其平衡就會逆向移動，產生的Fe（OH）3濃度就會降低，為什么Fe（OH）3濃度較大的時候不沉淀、濃度較小時出現沉淀呢？為搞清楚這個問題，我們可用沉淀溶解平衡常數進行分析，為此在實驗前后我們使用pH傳感器分別測定溶液的pH，反應前溶液的pH為0.70（見圖1），反應后溶液的pH為4.95（見圖4）。

已知常溫下Ksp[Fe（OH）3]=2.6×10-39，剛開始時pH=0.70，此時若要使Fe3+沉淀下來，其最小濃度為c（Fe3+）=Ksp[Fe（OH）3]/c3（OH-）=2.6×100.9=20.65 mol/L，所以此時無Fe（OH）3沉淀；反應后pH=4.95，此時若要使Fe3+沉淀下來，其最小濃度為c（Fe3+）= Ksp[Fe（OH）3]/c3（OH-）=2.6×10-11.9 mol/L，所以此時有Fe（OH）3沉淀。

為什么反應后pH會增大呢？剛開始時反應①的進行程度較大，所以FeCl3溶液的酸性較強，加入鋅粉后氯化鐵逐漸被消耗濃度減小，使得反應①逆向移動，所以酸性減弱pH增大，此時Fe3+才可以沉淀下來，這也說明該階段加入鋅粉后，鋅粉主要和氯化鐵反應。

3.2 第二階段現象及理論分析

15min后溶液中產生大量氣泡，用試管收集后放在酒精燈火焰上有爆鳴聲，證明是氫氣。

由于我們比較三價鐵與氫離子的還原順序，雖然鋅離子不處在標態，但我們忽略此影響，因其不對還原順序產生影響。

由此可得，K1、K2均較大，理論上兩個反應均可以進行得非常完全，但由于E1>E2，應先進行三價鐵的還原，所以剛開始時沒有氫氣生成，隨著反應的進行，Fe3+濃度逐漸減小，氧化性逐漸減弱，最終會進行反應2H++Zn=Zn2++H2。所以開始時沒有氫氣產生，一段時間后才產生氫氣。

4 結論及反思

4.1 鋅與氯化鐵的反應是比較復雜的，存在多個反應且反應是分先后階段的

4.2 在水溶液中，在鋅粉過量時可以從氯化鐵中置換出鐵，但只是少量單質鐵

在特定的條件下，倒是可以制出大量單質鐵。如季曉亮、王錦化老師[3]在微波輻射下制出大量單質鐵；楊珂、劉曉燕老師[4]在乙醚溶液中制出了單質鐵。

4.3 反思

反觀上述高考題，在水溶液中Fe2（SO4）3既要水解又要和鋅發生氧化還原反應，一定不可能全部轉化成單質鐵，所以即使得到單質鐵也一定會小于11.2g。隨著化學科學的發展，理論化學的研究取得了驚人的發展，但是理論推導和數學計算的結果是否正確，仍然需要用實驗來驗證。

對相同物質間的反應為什么會有如此多不同的結論呢？首先是因為化學反應的發生受到許多條件的影響，如溫度、壓強、濃度、紫外線和酸堿度等，當條件改變時有可能發生不同的反應；其次與研究的手段有關，比如本文所述實驗使用壓力傳感器才觀測到壓強的實時變化過程；再次，與研究者的心態有關，或許只做了一次實驗，或許缺乏深入的思考，就急于成文發表。筆者在本研究中就曾出現過類似情況，第一次實驗時用磁鐵沒有檢測出鐵，認為該反應不會有鐵生成并已成文，好在后來多次重復實驗中都得到了鐵，即該實驗中只要鋅粉足量就一定會有鐵生成，但只是少量單質鐵。

參考文獻：

[1]潘明忠.鋅和三氯化鐵溶液的反應[J].中學化學教學參考，2000，（8～9）：82～83.

[2]劉映進，柳兆華.鋅和FeCl3溶液反應有無單質鐵析出[J].中學化學教學參考，1985，（1）：4～6.

[3]季曉亮，王錦化.微波輻射條件下鋅與氯化鐵溶液反應的研究[J].化學教育，2009，（11）：65～68.

[4]楊珂，劉曉燕 .鋅與氯化鐵溶液反應的新研究[J].科技信息（學術研究），2008，（1）：421～423.