探究Fe3+與［Al（OH）4］-反應，提升宏觀辨識與微觀探析素養

福建省尤溪第一中學（365100） 林佳昆

一、問題提出

鐵及其化合物是高中化學的核心知識之一，關于Fe3+，在當前各版本教材的必修模塊中只是重點設計實驗檢驗Fe3+，介紹Fe3+的氧化性。鋁及其化合物也是高中化學的核心知識之一，在當前各版本教材的必修模塊中也只是重點設計實驗驗證鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的兩性，而這些物質與過量堿反應都產生［Al（OH）4］-（在蘇教版教材和人教版教材中表示為）。在教學過程中，學生常常會問Fe3+與［Al（OH）4］-會發生什么反應。面對該問題，教師通常會基于選修教材《化學反應原理》中的“鹽類的水解”，跟學生一起從理論層面上進行推理，得出Fe3+與［Al（OH）4］-最可能發生雙水解反應。但是化學教學更注重讓學生從實驗現象、實驗數據層面來證明，為此，筆者在課堂中設計探究實驗驗證Fe3+與［Al（OH）4］-最可能發生雙水解反應，讓學生體驗科學探究、證據推理的過程［1］。

二、原理分析

在水溶液中Fe3+和［Al（OH）4］-都易水解，這兩種離子會相互促進水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。水解反應為：Fe3++3［Al（OH）4］-＝Fe（OH）3↓+3Al（OH）3↓。Fe（OH）3沉淀會結合n個結晶水，Al（OH）3沉淀會結合m個結晶水，使水解平衡正向移動，使Fe3+和［Al（OH）4］-的反應進一步進行。但Fe3+和［Al（OH）4］-是否會直接反應生成Fe［Al（OH）4］3沉淀或Fe（OH）3膠體，都有待進一步設計實驗來驗證。

三、實驗設計

（一）測定FeCl3溶液的pH

實驗室溫度為25 ℃，測定實驗室配制的1 mol/L FeCl3溶液的pH，結果為1.2（如圖1）。

圖1 測定FeCl3溶液的pH

（二）制取［Al（OH）4］-

取2 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于試管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液，先產生白色沉淀，白色沉淀迅速溶解（如圖2），化學反應為：Al3++4OH-＝［Al（OH）4］-。

圖2 產生白色沉淀，沉淀迅速溶解

不斷滴加至加入最后一滴白色沉淀不溶解（如圖3），化學反應為：Al3++3［Al（OH）4］-＝4Al（OH）3。

圖3 白色沉淀不溶解

為確保在［Al（OH）4］-溶液中殘留的OH－盡量少，在上述溶液中加一滴NaOH 讓沉淀溶解（如圖4），化學反應為：Al（OH）3+OH-＝［Al（OH）4］-。

圖4 沉淀溶解

（三）［Al（OH）4］－與不同濃度的Fe3+反應

取1 mL［Al（OH）4］-溶液于試管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液（如圖5），出現紅褐色沉淀和白色沉淀（如圖6），說明生成Fe（OH）3和Al（OH）3。

圖5 往［Al（OH）4］-中逐滴加入FeCl3

圖6 出現紅褐色沉淀和白色沉淀

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀與Fe3+反應

將上述沉淀振蕩靜置（如圖7），取出上層清液，在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中繼續加1 mol/L FeCl3，沉淀部分溶解，生成紅棕色液體（如圖8）。

圖7 振蕩靜置

圖8 沉淀部分溶解，生成紅棕色液體

（五）檢驗紅棕色液體

取2 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于試管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液至不再產生白色沉淀。在Al（OH）3沉淀中逐滴加1 mol/L FeCl3，Al（OH）3沉淀溶解，上層產生紅棕色液體（如圖9），通過丁達爾效應可以看到在光源的側面有明亮的光路，證明Al（OH）3與FeCl3反應，生成Fe（OH）3膠體。化學反應為：A（lOH）3+3H+＝Al3++3H2O；3H2O+Fe3+Fe（OH）3（膠體）+3H+。

圖9 沉淀溶解，上層產生紅棕色液體

（六）Fe（OH）3沉淀與Fe3+反應

取1 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于試管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液至過量，先產生紅褐色沉淀（如圖10），后沉淀溶解，生成紅棕色液體，通過丁達爾效應可以看到在光源的側面有明亮的光路。

圖10 紅褐色沉淀

（七）Fe3+與不同濃度的［Al（OH）4］－反應

取1 mL 0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液于試管中，加4 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液，反應產生Al（OH）3白色沉淀，靜置，取上層清液并在其中加NaOH 溶液，無明顯現象，保證上層清液中無Al3+。用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上層清液（如圖11左試管），逐滴加入裝有1 mL 1 mol/L FeCl3溶液的試管中，生成紅棕色液體（如圖11 右試管），通過丁達爾效應可以看到在光源的側面出現明顯的光路（如圖12）。紅棕色液體中不斷加入氫氧化鋁的上層清液，無明顯變化。

圖11 生成紅棕色液體

圖12 產生丁達爾效應

四、結論與討論

（一）Fe（OH）3在水溶液中易生成沉淀

在水溶液中Fe3+相對于其他金屬陽離子水解程度更大。查蘭氏化學手冊可知，常溫下Fe3+的氫氧化物累積生成常數logK3=29.67，K3=1.0 × 1029.67，說明Fe3+與OH－反應很容易生成Fe（OH）3；Fe（OH）3的Ksp=4×10-38=1.0×10-37.4，說明Fe（OH）3很容易生成沉淀。

Fe3+水解生成Fe（OH）3沉淀時，Kh=（Kw）3/Ksp=（1.0×10-14）3/（1.0×10-37.4）=1.0×10-4.6。

（二）Al在水溶液中的存在形式

查蘭氏化學手冊可知，常溫下Al3+的氫氧化物累積生成常數只有logK4=33.03［2］，無logK2和logK3的數據，說明Al3+與OH-反應很容易生成［Al（OH）4］-。為什么查不到logK2和logK3的數據呢？因為在實驗測定累積生成常數時，Al3+不僅與加入的標準溶液中的OH-反應，還與水電離出的OH-反應，在溶液中Al3+還會形成水合離子，生成的Al（OH）3無定形，所以蘭氏化學手冊中無logK2和logK3的數據，但可以查到Al（OH）3（無定形）的Ksp=1.3 × 10-33。百度百科中可以查到偏鋁酸的電離平衡常數Ka=6.3 ×10-13，由此可計算AlO-2的水解平衡常數Kh：

HAlO2中Al 最外層只有6 個電子，是缺電子結構，在水溶液里水分子中的氧原子的孤對電子與Al的空軌道易形成配位鍵，生成Al（OH）3。Al（OH）3還會進一步與一個或多個H2O 形成氫鍵，生成Al（OH）3·（x-1）H2O（無定形）。

（三）Fe3+和［Al（OH）4］-在水溶液中的反應

在水溶液中Fe3+易水解，水解生成Fe（OH）3沉淀，平衡常數Kh=1.0 × 10-4.6；［Al（OH）4］-的水解程度也很大，易水解生成Al（OH）3·nH2O（無定形），K3＞1.59×10-2。從化學平衡角度分析，在水溶液中Fe3+和［Al（OH）4］-都易水解，把含有這兩種離子的溶液混合，易相互促進水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。在實驗中觀察到的白色沉淀為Al（OH）3沉淀，紅褐色沉淀為Fe（OH）3沉淀。Fe3+和［Al（OH）4］-不會直接反應生成Fe［Al（OH）4］3沉淀。

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3混合沉淀與Fe3+的反應

在配制FeCl3溶液時，為了減少Fe3+水解，在溶液中加了過量的鹽酸，因此實驗所用的1 mol/L FeCl3溶液的pH 為1.2，Fe3+水解也會產生較多的H+。在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中繼續加1 mol/L FeCl3溶液，沉淀部分溶解，生成紅棕色液體。雖然過量的鹽酸與Fe（OH）3和Al（OH）3反應，但是生成的Fe3+在水溶液中是黃色的，Al3+在水溶液中是無色的，因此推測紅棕色可能是溶液中的Cl-、H2O、OH-中的氯原子或氧原子的孤對電子進入Fe3+的空軌道形成配位鍵進而形成的絡合離子的顏色。Fe（OH）3沉淀在FeCl3溶液中溶解時形成穩定的膠體。

（五）Fe3+溶液與濃度較小的［Al（OH）4］-反應

取Al2（SO4）3溶液于試管中，加稍過量的NaOH，產生Al（OH）3白色沉淀，靜置，取上層清液并在其中加NaOH，無明顯現象，說明上層清液中無大量Al3+，所含［Al（OH）4］-的濃度較低。取FeCl3溶液于試管中，用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上層清液逐滴加入試管，生成紅棕色液體，通過丁達爾效應可以看到在光源的側面出現明顯的光路，說明生成Fe（OH）3膠體。

五、教學小結

（一）提供教學素材

通過對實驗現象的討論、計算分析，證明Fe3+與［Al（OH）4］-發生雙水解反應，為解決教學中學生提出的疑問提供充分的推理證據，為學生設計探究實驗提供參考，為培養學生的化學學科核心素養提供平臺。

（二）發現一種Fe（OH）3膠體的制備方法

通過實驗現象說明過量Fe3+和［Al（OH）4］-可生成Fe（OH）3膠體，這是制備Fe（OH）3膠體的一種方法。高中化學教材中Fe（OH）3膠體的制備是在沸水中加入FeCl3，要用到的實驗儀器有酒精燈、鐵架臺、鐵圈、石棉網、燒杯，還需等待加熱，耗時長。若用Fe3+和［Al（OH）4］-反應制備Fe（OH）3膠體，只需要用到試管、滴管，且不需要加熱操作。

（三）提升化學學科核心素養

HAlO2中的Al 的最外層是缺電子結構，水中氧原子的孤對電子與Al 的空軌道易形成配位鍵，進而生成Al（OH）3，Al（OH）3進一步與水形成氫鍵，生成Al（OH）3·nH2O（無定形）。以上的分析應用即物質的結構與性質知識的應用，通過宏觀辨識與微觀探析相聯系，提升學生的化學學科核心素養［3］。