α-Fe2O3、γ-Fe2O3與H2SO4反應的比較

顏齊圣

本篇文章對不同構形的Fe₂O₃與各種濃度H₂SO₄的反應進行了比較，并對γ-Fe₂O₃的制備做出一些說明。本文檢驗三價鐵離子的方法是硫氰化鉀法。本文分為四個部分：1、研究背景 2、α-Fe₂O₃3、γ-Fe₂O_3? 4、實驗總結。由于技術限制筆者沒有對制得的三氧化二鐵進行XRD（X射線衍射實驗）但有關制取方法還是來自一些比較權威并可信的文獻。

1 研究背景

筆者在一次實驗中，意外發現實驗室中的“分析純Fe₂O₃ ”并不與各種濃度的H₂SO₄發生反應，通過查找有關文獻，筆者發現了不同構形的Fe₂O₃化學性質有所區別，α-Fe₂O₃的化學性質比γ-Fe₂O₃的化學性質活潑，這是因為α-Fe₂O₃的空間構型要比γ-Fe₂O₃致密，對此筆者設計了以下實驗來加以驗證。

2 α-Fe₂O₃與H₂SO₄反應

主要實驗藥品：分析純α-Fe₂O_; 在高溫下灼燒過的Fe₂O₃（根據文獻Synthesis and Characterization of Nanometer-Size Fe₃o₄and γ-Fe₂O₃Particles所寫，高溫處理過的Fe₂O₃絕大多數為α-Fe₂O₃） ;10%H₂SO₄;30%H₂SO₄;98%H₂SO₄;KSCN溶液 ;鹽酸 ;還原鐵粉。

實驗一：

在三支試管中分別加入0.5克分析純Fe₂O₃，加入不同濃度的H₂SO_4，5毫升充分反應，實驗結果如表一

實驗三：

在酒精燈下加熱久置分析純的Fe₂O₃冷卻，取少量分別加入三支試管，加入不同濃度H₂SO₄，充分反應，實驗結果如表三：

可見：久置的Fe2O3為大量的α-Fe₂O₃很難與H2SO4反應，但在加熱或者長時間反應之后還是可以反應的;另外在高溫下處理過的Fe₂O₃也很難與H₂SO₄反應（在高溫下Fe₂O₃的構形轉換為了α-Fe₂O₃）

3 γ-Fe2O₃與各種濃度H₂SO₄的反應

FeCl₃+3NaOH=Fe（OH）₃↓+3NaCl

2Fe（OH）₃=Fe₂O₃+3H₂O

實驗四：

分別取3.2g FeCl₃，2.4g NaOH，配成2mol/L的溶液，混合沉淀，倒去上層清液，過濾用蒸溜水清洗3次，把Fe（OH）₃在蒸發皿中用酒精燈加熱約20min，直至固體顏色變成暗紅色，后繼續加熱20min，保證把Fe（OH）₃完全變為γ-Fe2O₃，冷卻后取1.0g分別放入三支試管中，加入不同濃度的硫酸，充分反應，實驗結果如表四：

大量

實驗五：

在還原鐵屑中加入1mol/L的NaCl溶液，在空氣中放置一天后，用酒精燈加熱至水分蒸干（此時新制的Fe₂O₃中有少量的Fe沒有完全反應，所以會有部分Fe與Fe³⁺反應生成Fe^2+，所以為了排除它所帶來的干擾，我們用篩子把Fe₂O₃分離出來_。取少量分別放入三支試管中，加入不同濃度的硫酸，充分反應，實驗結果如表六：

表六：加熱后的鐵銹與不同濃度的硫酸反應

可見：新制的Fe2O3與H2SO4可以反應，只是因為我在加熱時所用溫度不高而生成的多為γ-Fe2O3。

2、γ-Fe2O3制備：第一種方法（要求較高）

Fecl₂+2FeCl₃+8OH^-------Fe₃O₄-----_-γ-Fe₂O₃

取5.2gFecl₃與2gFecl₂，在PH=10-11 的條件下生成納米Fe₃O₄，用強磁沉淀，離心4000 rpm后加500ml 0.01ml ，HCl離心（4000 rpm）得到8.5±1.3mm的Fe₃O₄.

把得到的Fe₃O₄調到PH=3.5，在100℃ 下加熱30min ，顏色變至棕紅色，得到γ-Fe₂O₃. 離心（4000 rpm），干燥得到γ-Fe₂O₃固體。

第二種方法（較簡單）

Fe₂++2Fe³⁺+8OH^-=Fe₃O₄↓ +4H₂O

這里用FeSO₄+2Fecl₃+8NaOH=Fe₃O₄↓ +8Nacl+4H₂O

圖二：γ-Fe2O3制備方法

取FeSO₄1.5g，Fecl₃3.25g，NaOH3.2g 配成2mol/L溶液，混合，得納米Fe₃O_4，用強磁沉淀三次，調PH至3.5，酒精與強磁沉淀，將沉淀放入蒸發皿中，在100℃的溫度下加熱30min，使Fe₃O₄干燥，后加溫至150^oC，油浴30min得到干燥的暗紅色γ-Fe₂O₃.固體。

注意：如果不用新制的Fe₃O₄效果不佳，在酒精燈下加熱40min 只有少量的γ-Fe₂O₃生成，并且對于溫度的控制十分重要。

第六組：

取少量的γ-Fe₂O₃.放入三支試管， 加入不同濃度的硫酸，充分反應，實驗結果如表七：

可見：γ-Fe₂O₃可以與硫酸反應，并且γ-Fe₂O₃的反應速度比α-Fe₂O₃快得多。

4 實驗總結

α-Fe₂O₃用HCL重復部分后發現與H₂SO₄不易發生反應，所以實驗中的Fe₂O₃不易與H₂SO₄反應，而新制出的Fe₂O₃能與H₂SO₄反應，所以在課堂上老師可以用剛生繡的Fe來做實驗，或使用γ-Fe₂O₃。

γ-Fe₂O₃有鐵磁性，而且可以與H₂SO₄發生比較強烈的反應，它的性質比α-Fe₂O₃更活潑，比α-Fe₂O₃更不穩定。這是因為α-Fe₂O₃的晶體形狀（六方晶系）堆積的比較密集（如下圖所示），α-Fe₂O₃晶格常數為0.5414略小于γ-Fe₂O₃晶格常數，所以O原子很難與酸結合發生反應;而γ-Fe₂O₃的疏松結構則更利于與酸反應。

α-Fe₂O₃

由此可見，同一種物質的不同結構對它的物化性質都有著十分重大的影響，所以結構化學在化學研究中的地位十分重要，未來發展前景非常廣闊。

（作者單位：重慶宏帆初級中學）