氫氧化亞鐵制備的再改進

朱成東 孫永興

(1.安徽省教育科學研究院;2.安徽師范大學附屬中學)

1.問題提出

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱新課標)在主題2“常見的無機物及其應用”的學生活動建議中提到了氫氧化亞鐵的制備,現行三個版本教材在編寫該部分內容時都不約而同地設計了該實驗內容,從而幫助學生在宏觀上感知Fe(OH)2易被氧化的事實。但是不少教師在實際操作的過程中很難幫助學生長時間觀察到白色的絮狀沉淀,取而代之的是長時間觀測到灰綠色沉淀,在很長一段時間后才能看到試管中淺綠色懸濁液上方液面交界處有一圈紅褐色,而溶液中的沉淀變為紅褐色卻要數十個小時。

究其長時間呈現灰綠色的原因,不同學者對其進行了探究,主要有以下幾種觀點,一是認為灰綠色是Fe(OH)2和Fe(OH)3以一定比例混合的特殊物質,或是生成了Fe(OH)2·2Fe(OH)3的混合型氫氧化物;二是認為Fe(OH)2沉淀具有吸附性,可以吸附溶液中亞鐵離子從而顯示灰綠色;三是認為灰綠色由無氧氣氛下Fe(OH)2發生歧化生成的產物Fe3O4所致。綜上所述,該實驗難以觀測到白色沉淀的原因主要有以下兩點,即(1)Fe(OH)2被空氣中的氧氣或溶液中的溶解氧所氧化而變質;(2)Fe(OH)2吸附液相中的Fe2+。(自身歧化的問題通過改變外界條件難以得到解決,故不在此討論)因此,如何同時避免以上兩點影響因素是筆者設計新改進實驗的方向。

2.研究現狀

查閱核心期刊上有關“氫氧化亞鐵的制備”改進實驗,發現不同學者都針對以上兩點主要影響因素進行了實驗改進,對其進行了如圖1所示的分類梳理:

圖1 改進思路

第一類是以“避免Fe2+氧化變質”為主要改進思路的實驗設計,其中唐悅,林娟,聶素云設計的實驗裝置分別如圖2和3、圖4、圖5所示,可以發現若想避免Fe2+被空氣中的氧氣氧化變質,其改進方法有“液封法”以及在裝置中通入還原性氣體排除空氣的方法等;若想避免Fe2+被溶液中的溶解氧氧化變質,通常采取的實驗措施有用加熱煮沸過的蒸餾水配制反應溶液、在溶液中加入還原性鐵粉以及加入Na2SO3等還原性物質等。但是該類實驗還存在以下幾點問題:(1)以上實驗方案只考慮了Fe2+的氧化變質,并未解決Fe(OH)2吸附溶液中Fe2+的影響因素;(2)如圖2、圖4所示的“液封法”在滴加NaOH時需要用到長膠頭滴管且不能出現晃動或鼓入空氣的情況,對操作要求高且圖2所用的苯為有毒物質沒有體現綠色環保的實驗理念;(3)圖3、圖5采用的還原性氣體排空氣法則是增加了額外的藥品和反應,使得裝置復雜化,而產生氫氣的量是否充足,氫氧化亞鐵保存的時間長短也均未提及。

圖2

圖3

圖4

圖5

第二類是以“避免Fe(OH)2吸附Fe2+”為主要思路進行的實驗設計。張元雙,董景禮,馬善恒等設計的實驗裝置分別如圖6、圖7、圖8所示。圖6的實驗采用綠礬晶體替代硫酸亞鐵溶液,并用高濃度的氫氧化鈉溶液與其反應,避免了溶液中富集Fe2+;圖7的實驗設計采用向U形管中通入氮氣的方法從而達到降低溶液中的溶解氧和阻礙吸附作用的雙重目的;圖8則是通過配制氫氧化鈉的乙醇溶液達到阻礙吸附作用的效果。該類實驗存在以下幾點問題值得商榷:(1)實驗裝置大多為敞口,難以避免空氣中氧氣的干擾;(2)圖7所示的實驗裝置雖然通過通入氮氣的方式達到除氧的效果,但純凈氮氣的獲取對一般學校來說較為困難;(3)圖8的實驗設計雖然簡便可行,但并未對乙醇阻礙吸附作用的機理做進一步的說明和解釋。

圖6

圖7

圖8

第三類是以張愛菊,陳彩鳳為代表的其他類型的實驗改進方案,其實驗裝置分別為圖9、圖10所示。張愛菊等采用的方法為電解法制備氫氧化亞鐵,一般以鐵作陽極,用石墨或其他金屬作陰極,然后電解NaOH或Na2SO4溶液;而陳彩鳳所提出的實驗方案則是利用了雙水解的原理。該類實驗方案存在以下幾點問題:(1)根據人教版教科書(2019年版)內容的安排順序,學生在學習鐵及其化合物時并未掌握電解、雙水解等知識,如果用該原理進行課堂演示實驗會造成學生理解困難,不利于課時目標的達成;(2)電解法制備氫氧化亞鐵需要綜合考慮電源電壓、電流密度、電解質濃度等多方面因素,才能確保陽極能夠快速產生Fe2+且移向陰極與OH-結合;(3)雙水解反應制取Fe(OH)2沉淀具有一定的爭議,伍強等從定性實驗探究和化學平衡計算的角度對其提出了質疑,認為FeSO4與NaHCO3或Na2CO3反應后得到的沉淀并非為Fe(OH)2而是FeCO3。

圖9

圖10

3.氫氧化亞鐵制備及氧化新實驗設計

3.1 設計思路

該演示實驗成功率低下,但新課標以及現行教材都未舍去該實驗,旨在通過該演示實驗幫助學生認識亞鐵離子的強還原性以及不同實驗條件對實驗結果的影響,承載著發展學生變化觀等學科核心觀念的重要作用。據此,本實驗的再改進思路為:(1)通過煮沸蒸餾水配制反應溶液以及注滿分液漏斗的方式避免氫氧化亞鐵的氧化;(2)使用綠礬晶體與濃氫氧化鈉溶液反應,氫氧根離子會迅速結合綠礬晶體表面溶解電離產生的Fe2+,進而在晶體表面形成一層氫氧化亞鐵薄膜,阻礙吸附作用;(3)凸顯物質變化視角,通過調節分液漏斗的旋塞展示白色Fe(OH)2和紅棕色Fe(OH)3共存的實驗現象。

3.2 實驗儀器及藥品

抽濾瓶、60 mL分液漏斗、細棉線、塊狀綠礬晶體(FeSO4·7H2O)、氫氧化鈉、蒸餾水等。

3.3 實驗裝置及效果圖

3.4 實驗操作步驟及現象

(1)用細棉線系住一塊FeSO4·7H2O晶體,將其懸空在距分液漏斗瓶口約4 cm處;

(2)將分液漏斗與抽濾瓶按圖11a所示組裝在一起,并使分液漏斗的旋塞處于關閉狀態;

a

(3)用煮沸后的蒸餾水配制100 mL 6 mol/L的NaOH溶液后,趁熱用玻璃棒引流入分液漏斗中,當分液漏斗裝滿6 mol/L的NaOH溶液(達到隔絕空氣的效果)后立即塞上分液漏斗瓶塞;

(4)約1分鐘左右就可看見FeSO4·7H2O晶體外出現了一層白色Fe(OH)2晶體(如圖11b所示),約3分鐘后就可看見FeSO4·7H2O晶體外布滿厚厚一層的Fe(OH)2晶體(如圖11c所示);

(5)打開分液漏斗上部的瓶塞后轉動旋塞,讓分液漏斗中的NaOH溶液緩緩流出到抽濾瓶中,待NaOH溶液的液面處于FeSO4·7H2O晶體的中部時關閉旋塞與上瓶塞(如圖12a所示);

a

(6)可以觀察到暴露在空氣中的部分由白色變為灰綠色后又立馬變為紅棕色,而在液面下的部分仍然為白色(如圖12b所示)。

4.實驗創新

4.1 原理裝置簡單

首先,本實驗原理簡單,其反應實質仍為FeSO4與NaOH間的復分解反應,不涉及電解、雙水解等復雜反應原理的運用;其次,本實驗無復雜儀器藥品的使用,也無需使用導管、橡膠塞等搭建復雜的實驗裝置,通過綠礬晶體以及分液漏斗的特性,既達到了除氧效果,又能避免Fe(OH)2吸附Fe2+。從原理和裝置兩個維度同時符合學生在該學習階段的認知特點以及授課教師在課堂中進行演示實驗的需求。

4.2 現象清晰明確

本實驗在實驗過程中通過調節分液漏斗的旋塞清晰展現了白色Fe(OH)2迅速變為灰綠色最終轉化為紅褐色的實驗現象,不僅與教材中對實驗現象的描述完全一致,且可以觀察到白色Fe(OH)2與紅棕色Fe(OH)3共存的實驗現象。若在課堂教學中,將本實驗與教材中灰綠色沉淀長時間出現的實驗現象進行對比,既解決了授課教師在課堂演示實驗中對實驗現象難以準確描述的教學難點,又能給學生在視覺上帶來沖擊,從而調動學生學習化學的積極性,培養創新意識。

4.3 藥品綠色可循環

本實驗中,將分液漏斗與抽濾瓶通過橡膠塞簡單相連,創新抽濾瓶在化學實驗中的使用場景。在展現Fe(OH)2的氧化過程以及整個實驗結束后,通過調節分液漏斗的旋塞,可將分液漏斗中的濃NaOH溶液緩緩滴入抽濾瓶中,在保障實驗安全性的同時,抽濾瓶中收集到的濃NaOH溶液在下次實驗中可循環利用,體現了綠色環保的化學實驗觀念。

4.4 結論嚴謹開放