氧化鐵與稀硫酸溶液反應的實驗探究

馬仁章 王龍

摘要：?將不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應的實驗設計進行比較，針對部分版本教材存在表述不夠嚴密、實驗設計不夠嚴謹等問題，對實驗進行改進探索。通過對照試驗發現，生銹鐵釘與稀硫酸反應易受各種因素影響導致實驗效果很不理想，若使用新買或自制的氧化鐵粉末與稀硫酸在加熱條件下反應能產生好的實驗效果。

關鍵詞：?稀硫酸溶液;?Fe2O3粉末;?實驗改進;?實驗探究

文章編號：?1005-6629（2021）09-0079-04

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1??問題的提出

在浙教版《科學》“常見的酸”教學時發現，將稀硫酸滴入盛有Fe2O3粉末的試管中，發現不能產生與教材插圖相同的實驗現象。基于教科書的實驗操作的權威性，在查閱不同版本教材后發現，該實驗的反應藥品、反應條件、實驗操作等設計與浙教版存在較大的差異。這些差異對實驗結果會產生怎樣的影響？帶著這個問題，筆者對稀硫酸與氧化鐵反應實驗進行系列探究。

2??不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應的實驗設計比較

現行全國初中化學義務教育教科書在探究稀硫酸溶液與金屬氧化物反應的實驗探究中，均選用Fe2O3作為典型代表物，該反應有明顯特征現象（反應后溶液呈黃色），這符合初中生的認知水平。該經典實驗在不同版本的教材中其實驗設計、藥品選用、反應條件、試劑用量、實驗操作等方面卻不盡相同（見表1）。

從表1可以發現，各個版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應的實驗編寫各有特點。人教版、滬教版、魯教版采用探究實驗，探究性層次要求較高，重視學生科學探究能力的培養，發揮學生的主體性，體現學生主動參與探究過程，建立自主、合作、探究的學習方式和學習習慣;華東師大版、科粵版則采用學生實驗的方式展開，其中華東師大版要求學生設計實驗方案并操作，要求頗高。編寫理念上突出化學學習的好奇心和探究欲，突出學生實踐能力、創造能力以及獲取新知識能力的培養。而科粵版對實驗方案的描述較為嚴謹且有具體的操作，降低了學生實驗的難度;浙教版以教師演示的方式呈現且教材中附有實驗現象圖。在上述實驗方案中，除浙教版采用Fe2O3粉末作為反應物外，其他方案均采用生銹鐵釘作為反應物。在反應條件上，除科粵版反應條件需加熱外，其他方案均為室溫進行或沒有明確表明溫度條件。

3??實驗探索

3.1??實驗1??生銹鐵釘與稀硫酸溶液反應

首先往銹蝕的螺絲釘（M6×20）加入約5mL左右11.5mol/L（70%）的硫酸溶液，常溫條件下反應，可以看到有黑色小顆粒生成。小顆粒在氣泡的沖擊下上下翻騰，實驗中雖能看到溶液呈淺黃色，但由于氣泡和碳顆粒的影響，此時的溶液較為混濁并略顯灰色，透明性差，反應后試管底部有較多的鐵銹從螺絲釘脫落下來沉積在試管底部，反應時間遠大于5min。當加熱試管時，發現立即產生大量氣泡，鐵銹隨著氣泡上下翻騰更為明顯，加熱大約1min后溶液即出現明顯的黃色。由此斷定，常溫下生銹鐵釘雖能夠和稀硫酸反應但現象不明顯且反應時間較長，加熱則可縮短反應時間且現象更為明顯。基于此，筆者將生銹鐵釘與不同濃度（質量分數）的稀硫酸溶液在加熱條件下反應進行對照，實驗現象如表2所示。

從表2可以看出，在其他條件相同情況下稀硫酸的濃度（質量分數）越高，反應所需的時間越短，溶液的黃色更為明顯，但在反應過程中產生的大量氣泡也更為激烈，影響實驗效果。姜跟華等[1]對此做出了改進：?將生銹的鐵釘用長線扣上，放入試管中，加入稀硫酸并加熱試管，當生銹鐵釘表面剛好要有大量氣泡冒出時，牽出鐵釘，使液體與鐵釘脫離，繼續加強熱至液體沸騰，然后冷卻。此操作可以較大程度減小鐵和硫酸反應對鐵銹和硫酸反應帶來的干擾，但在實際操作過程中，適時將鐵釘牽出比較困難，且此操作從根本上是讓Fe2O3單獨和稀硫酸反應，和浙教版的實驗方案有異曲同工之處，但不如浙教版操作更為簡便。在反應條件相同的情況下，長度相當、生滿鐵銹的螺絲釘和鐵釘分別與稀硫酸溶液反應，螺絲釘效果要比鐵釘好。并且發現，將螺絲釘長時間放置在稀硫酸溶液中，螺絲釘會出現淡綠色玻璃狀結晶，此現象說明生銹鐵釘（螺絲釘）與稀硫酸反應往往伴隨著鐵與硫酸的反應而使溶液顏色呈現黃綠色。

3.2??實驗2??Fe2O3粉末與稀硫酸溶液反應

3.2.1??Fe2O3粉末與不同質量分數的硫酸反應

為了減少鐵與硫酸反應帶來的影響，筆者在實驗1的基礎上，采用一定量的Fe2O3粉末與一定量不同質量分數的硫酸反應，實驗現象如表3所示。

通過實驗發現，室溫下Fe2O3粉末與稀硫酸溶液反應較難進行且難以出現預期的黃色溶液。通過進一步實驗發現，在室溫下Fe2O3粉末與稀硫酸溶液雖難以出現黃色溶液，但靜置后滴加入1～2滴KSCN后上層清液立刻出現血紅色，證明Fe2O3粉末與稀硫酸溶液在室溫下能反應。當稀硫酸溶液濃度（質量分數）較低時，即使Fe2O3粉末與稀硫酸溶液在加熱條件下反應也不激烈，難以出現黃色溶液，當稀硫酸濃度較高時，在加熱情況下與Fe2O3粉末反應時間較短，溶液呈現亮黃色，但1～2min后黃色明顯變淺，因為隨著溫度的升高，溶液透光率下降，即顏色變深;隨著溫度的下降，溶液的透光率增大，即顏色變淺[2]，而當Fe2O3粉末過量時，由于Fe2O3粉末著色力很強而使溶液呈現明顯的紅棕色，難以觀察到黃色。

通過進一步實驗發現，久置的Fe2O3粉末（分析純）與稀硫酸在加熱條件下反應也變得較為困難，這主要是由于久置的Fe2O3粉末大多為α-Fe2O3構型，較難與稀硫酸反應，即使在加熱條件下其與稀硫酸的反應也較為困難，而新購置的Fe2O3粉末（分析純）則較易與稀硫酸在加熱情況下反應。

3.2.2??自制Fe2O3粉末

由于久置的Fe2O3粉末（分析純）較難與稀硫酸反應，筆者嘗試利用自制Fe2O3粉末與稀硫酸反應。通常情況下我們通過加熱分解Fe（OH）3的方法制取氧化鐵，但該反應對實驗條件和操作要求均較高，普通初中學校尤其是農村學校較難實現。由于本實驗對Fe2O3粉末的純度要求不高，筆者采用一種較為簡單也較易成功的制取方法獲取Fe2O3粉末：?取一口廢棄鑄鐵鍋，清洗干凈加入一定量的水，放置一星期左右，待生成的鐵銹較多時將其倒入大燒杯，靜置出現分層，小心倒掉上層清液，讓其自然干燥，即可得到較多量的Fe2O3粉末;也可取一定量的鐵釘，先用酒精洗掉表面的油污，然后用稀鹽酸酸洗，再用蒸餾水洗去鐵釘表面的殘余酸液，將其放入大燒杯中，加入一定量的水（鐵釘半置于水中）[3]，待其充分完全銹蝕后用清水沖洗鐵釘，洗下鐵銹，后面處理方法同上所述。

3.2.3??不同來源Fe2O3粉末與質量分數70%的硫酸反應

4??思考與總結

實驗表明，生銹鐵釘與稀硫酸反應較為容易，而Fe2O3粉末與稀硫酸反應較為困難，這也是絕大多數教材采用生銹鐵釘與稀硫酸反應的主要原因。誠如科粵版（2008年7月第2版）的實驗設計，要減少鐵釘與硫酸反應對實驗的影響，所用的鐵釘必須是生滿鐵銹（主要成分是Fe2O3）的鐵釘，但事實上要使鐵釘表面布滿鐵銹也非易事。其他版本設計的實驗大多是常溫下進行，想要獲得理想的實驗現象所耗費的時間太長。浙教版雖然避免了鐵與稀硫酸反應所帶來的影響，但在常溫下Fe2O3粉末與稀硫酸難以反應，也不會出現如教材所描述的實驗現象。較為理想的實驗設計是利用新買（或新制）的Fe2O3粉末在加熱情況下與濃度（質量分數）較高的硫酸反應，既可在短時間內完成反應，也能夠取得預期的實驗效果。但需要注意，實驗所需的Fe2O3粉末不宜過多，防止由于Fe2O3著色力太強而導致難以觀察到黃色溶液，故稀硫酸的濃度控制在5mol/L（38%）以上為宜。

參考文獻：

[1]姜跟華，?包君君.?對生銹的鐵釘與稀鹽酸、稀硫酸反應的改進[J].?中學化學，?2012，?（1）：?23.

[2]魏銳，?宋萬琚，?王磊，?范林，?劉強，?東啟云.?Fe3+在水溶液中的水解平衡和配位平衡[J].?化學教育，?2008，?（1）：?69.

[3]南京大學《無機及分析化學實驗》編寫組.?無機及分析化學實驗[M].?北京：?高等教育出版社，?2004：?126.