大學化學實驗合成三草酸合鐵(III)酸鉀的教改與探索

毛 娜，孫軍朋

(1.渭南師范學院 化學與材料學院，陜西 渭南 714099；2.乾縣第一中學，陜西 咸陽 713300)

無機化學實驗是化學及與化學相關專業(生物、農資、高分子、材料類等)開設的一門的基礎實驗課，對大學一年級新生相當重要，為以后其他相關的化學實驗打下良好的基本操作基礎和實驗技能習慣，尤其是對綜合性實驗和自主設計實驗設計能力的培養。綜合性化學實驗是學生綜合實驗素質的體現，也是為以后為企業培養新型創新型人才的關鍵。綜合實驗不僅有助于提高學生的實驗能力，而且也利于提高學生的興趣[1]。

三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀是大一學生第二學期開設的一個綜合性實驗。三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀 K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 為翠綠色單斜晶體，加熱至110℃失去全部結晶水，230℃分解，550℃時分解產物為三氧化二鐵與碳酸鉀。易溶于水，難溶于丙酮和乙醇。對光敏感，其強光照射分解產物為草酸鉀和草酸亞鐵及二氧化碳。主要用于攝影、電鍍業、化學試劑、測定光量、催化劑等，是制備負載型活性鐵催化劑的主要原料。該實驗涉及許多無機實驗基本操作和化學原理，如蒸發、濃縮、結晶、干燥、減壓過濾等以及絡合平衡和電離平衡[1]。制備K3[Fe(C2O4)3]·3H2O的方法目前文獻和無機化學實驗教科書上有四種：

(1)以硫酸亞鐵銨為原料[2]。此方法用前面實驗合成的硫酸亞鐵銨為原料，和草酸溶液反應，傾析去除和洗滌得到黃色的草酸亞鐵晶體，再用過量的H2O2把草酸亞鐵氧化成三草酸合鐵離子，再加入一定量的草酸，加入乙醇放置黑暗處48 h得到三草酸合鐵酸鉀晶體。

許多學者[3-4]用此方法對許多實驗細節和原料用量及溫度做了改善，使實驗結果有所改善。但是通過筆者這些年在無機化學實驗課上所遇到的問題，總結出一些缺點，學生做實驗過程中把握不準確H2O2氧化亞鐵離子成為鐵離子，由于在水浴鍋中鐵離子水解成棕紅色的氫氧化鐵，觀察不到亞鐵離子是否完全氧化，等加入草酸溶液后發現有亞鐵離子沒有被氧化。過濾后濃度降低導致難以析出晶體。即使前面的氧化完全，也有一部分學生難以析出晶體。影響后面性能測定。此方法的實驗能考查學生的基本實驗技能和掌握一定的化學原理，但是實驗現象多變，影響晶體析出和產率。筆者所在學校的此實驗以硫酸亞鐵銨為原料為主。

(2)以鐵屑為原料。無機化學實驗教科書上用鐵屑為原料，先把鐵屑有氫氧化鈉煮沸除掉油漬，再加入硫酸反應變出硫酸亞鐵，繼續反應生成硫酸亞鐵銨，后續實驗和上述實驗相同。用此方法增加了實驗的步驟，也增加實驗的可變性，在一定程度上實現實驗的綠色合成，更貼近工業生產[5]。筆者所在學校也用這種方法做過合成三草酸合鐵酸鉀晶體，此實驗存在的問題是鐵屑的純度，和硫酸反應完后要過濾掉殘渣，影響硫酸亞鐵的濃度，以至于到后面影響硫酸亞鐵銨的純度，后面同樣存在上面的問題。

(3)以三氯化鐵為原料[6]。將三氯化鐵和一定量的沸騰的草酸鉀溶液反應，反應液在冰水中冷卻，制得三草酸合鐵酸鉀晶體。此方法合成的實驗去掉氧化劑的使用，沒有黃色固體草酸亞鐵的生成，更適用于工業生產。但是原料易吸水潮解，不易保存。

(4)以草酸鐵為原料[7]。以氫氧化鉀和草酸制備草酸鉀，再加入草酸鐵固體和硫酸水浴加熱，得到三草酸合鐵酸鉀溶液，在溶液中加入乙醇，攪拌均勻用KOH調節pH，暗處靜置即得到三草酸合鐵酸鉀晶體。此方法可以合理有效的利用實驗室資源高效的制備產物。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

ZH恒溫水浴鍋，循環水式多用真空泵(鄭州長城科工貿易有限公司)，艾科浦超純水系統。

硝酸鐵，草酸鉀，無水乙醇。

1.2 實驗原理

硝酸鐵溶液滴加到熱的草酸鉀溶液中，用冰水急速冷卻，析出三草酸合鐵酸鉀晶體。

2 結果與討論

2.1 草酸鉀濃度對產物的影響

稱取3份10.5 g Fe(NO3)3·9H2O分別溶解于10 mL H2O中，再分別稱取15 g、18 g、20 g草酸鉀溶解于水浴加熱40 mLH2O中，把每份Fe(NO3)3·9H2O溶液分別逐滴加入到熱的草酸鉀溶液中。分別記為①、②、③號。把三份熱溶液放入到冰水溶液中急速冷卻，長時間保持冰浴，大約40 min后抽濾，用少量乙醇洗滌，50℃下烘干1 h。得到固體產物三草酸合鐵酸鉀。實驗結果見表1。

表1 草酸鉀質量對實驗結果影響

從表1 中可以看出，草酸鉀質量 15 g時，產率雖然不高，但是晶型和顏色比較好，草酸鉀的理論質量是14.5 g；當質量為18 g時，產率提高了，但是晶型不太好并且顏色發白；當質量為20 g時，產率雖然很高，但是晶體幾乎為粉末狀顏色淡綠色發白，并且肉眼能觀察到草酸鉀白色晶體，所以產物里一部分為草酸鉀，純度不高。這可能是由于草酸鉀質量太多，用無水乙醇洗滌時有草酸鉀析出來，影響結晶品質。

2.2 草酸鉀溶解方式對產物的影響

表2 草酸鉀溶解方式對產物的影響

稱取2份10.5 g Fe(NO3)3·9H2O分別溶解于10 mL H2O中，再分別稱取15 g草酸鉀溶于40 mLH2O中，一份用90℃電爐加熱溶解，一份用90℃水浴鍋加熱溶解把每份Fe(NO3)3·9H2O溶液分別逐滴加入到熱的草酸鉀溶液中。分別記為④、⑤號。把兩份熱溶液放入到冰水溶液中急速冷卻，長時間保持冰浴，大約40 min后抽濾，用少量乙醇洗滌，50℃下烘干1 h。得到固體產物三草酸合鐵酸鉀。實驗結果見表2。

表2可以看出，溶解方式對產物的產率和晶型顏色有一定的影響。當把草酸鉀在電爐上溶解時，前期升溫比較慢，但是后期溫度升高溶解比較快，注意不要讓草酸鉀溶液沸騰容易分解。同時滴加Fe(NO3)3·9H2O也在電爐上，產物為翠綠色晶體，晶型好。把草酸鉀放到水浴鍋中加熱時，溶解也比較快，但是晶體析出時間較長，且析出的是淡綠色晶體，粉末狀固體。這可能是由于在同樣溫度的水浴鍋中時，溶液的溫度達不到90℃，同樣滴加Fe(NO3)3·9H2O時，溫度不夠，影響形成配合物的時間和晶型。

2.3 晶體析出時間對產物的影響

取上面的④溶液兩份，分別放入冰浴中冷卻20 min和60 min后抽濾，記為⑥、⑦，用少量乙醇洗滌，50℃下烘干1 h。得到固體產物三草酸合鐵酸鉀。見表3。

表3 晶體析出時間對產物的影響

從表3可以看出，晶體析出時間對產物有很大的影響，當快速冷卻20 min時，產率只有50.1 %，40 min 和60 min時產率幾乎沒有變化，說明在40 min左右產物已經基本析出，和無機化學實驗教科書上相比(48 h)，大大節省了時間，性價比比較高，適用于實驗競賽或者考試時使用此方法。

3 結論

通過控制草酸鉀的質量、草酸鉀的溶解溫度、結晶析出時間等影響因素，可以得到翠綠色有規則晶型的顆粒狀三草酸合鐵酸鉀晶體，析出時間短，且產率高，實驗過程容易控制，為后續產品性能分析坐好良好鋪墊。