對氫氧化亞鐵制備實驗的評析及再設計

摘 要： 氫氧化亞鐵制備的實驗現象在不同版本教材中的描述有所不同。在梳理與剖析了相關文獻資料后，發現其中對該實驗原理的探究有一條循序漸進的主線，也有不少矯枉過正的改進方案，故對該實驗進行了再探究。選用低濃度的NaOH試劑以確保安全與節約；改變教材上兩種試劑的滴加順序和滴加方法，利用燒堿溶液煮沸除去氧氣后的余熱來提升該實驗的成功率；對出現紅褐色的現象進行對照實驗，發現將綠色沉淀轉移到濾紙上，呈現紅褐色更快，更便于觀察。

關鍵詞： 氫氧化亞鐵制備； 實驗原理； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）08008104

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 教材實驗的剖析

1.1 各教材描述上的相同點

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［1］對“氫氧化亞鐵的制備”提出了活動建議。人教版［2］、蘇教版［3］、魯科版［4］及滬科版［5］等教材都編排有該實驗的設計，這些實驗設計都是在一支盛有FeSO4溶液的試管中加入NaOH溶液，再觀察實驗現象。對該實驗現象的描述也基本一致：當試管中加入NaOH溶液后產生的白色沉淀逐漸轉化為灰綠色，一段時間后會產生紅褐色固體。從選用的儀器、設計的兩試劑添加順序、對實驗現象的描述等都大致相同。但真正實驗時常常觀察不到白色沉淀，往往只出現綠色或灰綠色沉淀，即實驗現象與教材的描述明顯不符。

1.2 各教材描述上的不同點

（1） 實驗操作上存在差異。如滬科版（2008版拓展型課程）教材［6］p126有這樣的描述：“在硫酸亞鐵溶液中加入氫氧化鈉時，要把滴管頭伸入到硫酸亞鐵溶液內部再注入氫氧化鈉。”教材上沒圖，但操作方法如圖1所示。當年曾引起一些質疑或困惑，因這與規范的滴管加液方法明顯不符［7］。

（2） 試劑濃度的表述存在差異。大多數教材沒有寫出試劑濃度，只有蘇教版［8］教材明確標出實驗試劑的濃度：0.1mol·L-1新制FeSO4溶液、0.1mol·L-1 NaOH溶液。

（3） 教學設計存在差異。大多數教材都采用演示或學生實驗。而滬科版［9］教材刪除了原先的實驗方案，改成了“例題引導”式的“問題與分析”。不安排實驗，只給出一個制備氫氧化亞鐵的實驗裝置圖（見圖2），并提出兩問題：（1）有學生會用煮沸過的蒸餾水來配制氫氧化鈉溶液，為什么？（2）待裝置I中的反應結束后，如何操作將會得到白色的氫氧化亞鐵沉淀？然后又提供兩條分析線索供學生思考。

上述這些描述或編排上的微小差異對照相關文獻的某些變化來看，影響卻頗大，如把滴管頭伸入到溶液內部注入液體或氣體都為平常事了，還有些影響將在下節討論。

2 相關文獻的評析

2.1 文獻中有一條循序漸進的實驗原理探究主線

在2006～2011年間，對實驗觀察到的淺綠色或灰綠色沉淀，有不少文獻都認為“該綠色沉淀為含Fe2+、 Fe3+、 SO2-4的復雜物質，而不是氫氧化亞鐵”。其中孟哲［10］提出：“在pH=6.8～10，該綠色沉淀的化學組成式表示為：（Fe3+）1（Fe2+）2（SO2-4）（OH-）5-2n（O2-）n+nH2O”（其化學式中Fe3+和Fe2+的物質的量比為1∶2）。之后張英峰［11］、李俊生［12］也先后提出：“氧氣與氫氧化亞鐵反應生成初期的綠色物質是一種稱為‘綠銹’的物質”，或為：2Fe（OH）3·4Fe（OH）2·FeSO4·nH2O；或為：4Fe（OH）2·2FeOOH·FeSO4·4H2O。所以當時認為“綠銹”是該反應中名副其實的“過渡態”，“綠銹”中必有三價鐵，也是一種配合物。

2012年7月張旭旻在全國展評會上演示了該實驗［13］。張老師取2支小試管，各放入已除去氧氣的4mol·L-1NaOH溶液1/3試管，再在該2支試管中滴加一層煤油，將其中1支放入冰水浴中冷卻，另一支在室溫下滴加約0.5mL的FeSO4（試劑瓶中含有鐵粉，僅取上層清液），立即產生稍帶淺綠色的白色絮狀沉淀。片刻后取出冰水浴中的試管，滴加同樣量的FeSO4溶液，滴完后發現該試管內沉淀偏綠色，然后將試管置于沸水中加熱，片刻后取出，溫度變高的試管內沉淀由偏綠色變為明顯的白色。即溶液溫度越高試管內沉淀越白。此時PPT大屏幕上寫道：“試管中的綠色是Fe（OH）2沉淀吸附水分子形成的綠色水合物。”其創新點是：（1）間接驗證了這綠色沉淀不是“綠銹”（三價鐵不會如此返白色）；（2）改變了兩試劑的滴加順序；（3）提出綠色沉淀是Fe（OH）2的水合物，溫度升高該水合物會脫水而變白。

2015年7月徐建飛等對該實驗發表了一篇有創新觀點的文章［14］。該文的主要觀點及操作有：（1）還無法證實或證偽“灰綠色是氫氧化亞鐵的水合物”；（2）根據調色原理可知，白色和紅褐色的調和色不可能是淺綠色、灰綠色，即灰綠色沉淀不可能是氫氧化亞鐵和氫氧化鐵的混合物；（3）經多次實驗后認為氫氧化亞鐵是白色膠狀沉淀，因吸附了水中淺綠色的亞鐵離子，而使白色沉淀變成淺綠色；（4）制備氫氧化亞鐵的最佳方案是：8mol·L-1氫氧化鈉溶液和0.1mol·L-1硫酸亞鐵溶液。滴加順序為：在試管中加入5mL 8mol·L-1氫氧化鈉溶液，加熱煮沸，后滴加少量石蠟油液封。用毛細滴管吸取0.1mol·L-1硫酸亞鐵溶液，滴管尖端趁熱插入NaOH液面下，慢慢擠入……（5）結論：能觀察到有大量白色的氫氧化亞鐵沉淀生成。

2016年9月吳文中發文［15］探討Fe（OH）2沉淀吸附Fe2+的可能性，其間用大量實驗來驗證Fe（OH）2沉淀的吸附作用。并提出了氫氧化亞鐵膠體的形成過程與特點，當以FeCl2溶液制備Fe（OH）2膠體時，膠團的化學組成式表示為：{m［Fe（OH）2］·nFe2+·（2n-x）Cl-}x+·xCl-，該膠團中不含有Fe3+。

上述文獻按時間順序排列，從中可看出十多年來對該實驗原理的探究有一條循序漸進的主線，即①該綠色沉淀其化學成分從不是Fe（OH）2是一種稱為“綠銹”的物質且化學式眾多是Fe（OH）2吸附了水分子是Fe（OH）2膠體吸附了Fe2+是Fe（OH）2膠體吸附了Fe2+等陰、陽離子并形成膠團等論說過程。②在加液順序上都與教材上的順序相反，不少作者先用滴管吸取較稀的硫酸亞鐵溶液，再把滴管尖端插入較濃的燒堿液面下慢慢擠出溶液。

2.2 實驗改進切忌矯枉過正而違反實驗設計的目的

上述幾篇文獻大多選用4mol·L-1或8mol·L-1燒堿溶液，也有選用飽和燒堿溶液的［16］。選用太高濃度的燒堿溶液既浪費藥品又不安全、不環保。由于燒堿溶液濃度的提升有利于白色沉淀的穩定，有些文獻就不計代價地提升其濃度，以維持白色氫氧化亞鐵的時間。作為實驗反應原理等的探究是可以理解的，但作為實驗改進方案，過度設計并演示這種炫耀式的實驗現象明顯違背了該實驗設計的目的。制備氫氧化亞鐵實驗的教學目的是讓學生理解“+2價的鐵很容易被空氣中的氧氣氧化為+3價的鐵，如4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3”［17］。如白色沉淀要維持10分鐘或更久，反而實證了氫氧化亞鐵白色絮狀沉淀不易被氧化了！這顯然違背了實驗設計的初衷。

總體上文獻對出現紅褐色固體的現象的研究較少。其實出現紅褐色固體時也有不少異常現象發生，且通常與制備白色氫氧化亞鐵所選用的各試劑濃度、用量等有關。雖然教材上寫的是紅褐色固體，實際實驗中卻有的是偏紅棕色，有的偏棕褐色，有的為黑色（還能被磁石吸引）［18］。所以作為教材實驗的研究不能對實驗的某些環節在處理時矯枉過正，甚至走極端。實驗的研究不能顧此失彼。

3 實驗的再設計

3.1 遵守教學實驗設計的目的性、簡易性、安全性等原則

化學實驗設計的原則是：目的明確、安全環保、裝置簡單、操作方便、現象明顯、啟發思維、確保成功等。本實驗的目的就是要讓學生知道：+2價鐵鹽能和氫氧化鈉溶液反應生成白色的Fe（OH）2沉淀，Fe（OH）2易與氧氣反應生成Fe（OH）3紅褐色固體。故設計這個實驗只要能觀察到這些主要現象即可。從簡易性原則來講，一支試管能做實驗是最恰當的，既簡單又明了，操作也方便。從安全性原則來講，不應過度提升燒堿溶液的濃度和耗量，教師應有節約藥劑的環保意識和安全觀念。

3.2 一個能回歸教材的實驗再設計

3.2.1 盡量回歸教材設計該實驗的相關條件和方法

回歸教材的本意是指返回教材設置該實驗的目的及教材實驗設計的一些原則和方法。筆者經多次試驗，發現在一定條件下教材上低濃度試劑也能完整做好該實驗，可能仍有教師會做不出白色沉淀，其中原因很多：如有的教師不知新制FeSO4溶液的具體配法，也不了解溫度、振蕩等對該實驗有明顯的影響。考慮FeSO4與NaOH完全反應的物質的量之比為1∶2，又考慮pH略高些，成功率會提升。經多次試驗后確定選用0.1mol·L-1新制FeSO4溶液和0.3mol·L-1 NaOH溶液為該試劑最佳濃度。關于獲取紅褐色氫氧化鐵的操作，有建議采用振蕩試管法［19］，也有是將Fe（OH）2傾倒在濾紙上［20］，本研究將兩法綜合起來作探究。

3.2.2 新設計實驗的操作步驟及相關現象

（1） 取一支約22×180mm的試管，在試管中加入約10mL 0.3mol·L-1NaOH溶液（若是學生實驗可用小試管，加液量也相應減少），在酒精燈上加熱至沸3～4秒（目的：趕走溶液中少量氧氣）。

（2） 將熱的試管放在試管架上自然降溫，不低于60℃前，取一支長滴管，吸足0.1mol·L-1新制FeSO4溶液，插入熱的NaOH溶液中慢慢擠出（要避免FeSO4溶液在堿液中局部集中）。很快呈現白色絮狀沉淀，該白色沉淀可維持3～8秒（與溫度等有關），之后漸顯淺綠色。如白色沉淀僅呈現1～2秒，也是成功的。

當出現較明顯綠色后可換一支新滴管再添加1滴管的FeSO4溶液，這樣可使最后制得的紅褐色氫氧化鐵固體現象更明顯。

（3） 隨著試管的降溫，沉淀會很快出現綠色、綠褐色。輕輕振蕩試管，搖勻。此時移近預先蓋有濾紙的表面皿，用長滴管吸取試管中的混合物，一滴一滴分開滴在濾紙上，滴加20滴左右，同時再用力振蕩幾次試管。

（4） 滴在濾紙上的綠褐色物質，約3～4分鐘后就出現紅褐色，而試管中的混合物在振蕩下也會出現紅褐色，但耗時近7～9分鐘。試管中的混合物如不振蕩，變色耗時更長，出現的紅褐色是先偏紅，后偏褐色。由于篇幅限制，紅褐色方面的豐富信息可參閱李周平的文章［21］。

3.2.3 本實驗的新意

（1） 稀燒堿溶液在酒精燈上加熱至沸趕走少量氧氣后，巧妙利用其余熱大幅提升了出現白色絮狀沉淀的概率及白色絮狀沉淀呈現的時間，還省略了油封。

（2） 通過對照實驗發現，將綠色沉淀轉移到濾紙上，呈現紅褐色更快，現象更清晰，操作也較容易，更適合課堂演示和學生實驗。

（3） 稍微添加些FeSO4溶液，會使紅褐色氫氧化鐵的沉淀現象更快、更明顯。

3.2.4 實驗注意事項

（1） 本實驗FeSO4溶液不能用硫酸亞鐵晶體（俗稱綠礬，易被空氣中氧氣氧化）配制。新制FeSO4溶液要用純的還原鐵粉與稀硫酸配制，且反應結束后應在瓶底留有一層鐵粉，瓶中空氣容積應小些，塞上塞子（也不必油封，鐵粉的存在使溶液中不易產生Fe3+），且每次取液后都要及時塞緊塞子。該FeSO4溶液可持續使用一周以上。

（2） 燒堿溶液降溫至60℃左右，僅為下限。其實60～100℃之間都可加入FeSO4溶液，且燒堿溶液溫度越高，解吸作用越強，白色沉淀越易呈現。

（3） 步驟2當滴管插入燒堿溶液后不要一下子擠出FeSO4溶液（尤其在約60℃時），這會造成局部區域Fe2+過濃，易被附近白色沉淀吸附而產生綠色。須慢慢擠出FeSO4溶液并讓滴管尖口不斷在NaOH溶液中四處移動，以減少淺綠色快速出現的機會。

4 結語

氫氧化亞鐵的制備是一個常規但又不容易做好的實驗。建議先在試管中取0.3mol·L-1NaOH溶液并加熱至沸3～4秒。等自然降溫至約60℃以上時，用長滴管吸取0.1mol·L-1新制FeSO4溶液，插入熱的NaOH溶液中慢慢擠出，即可觀察到有明顯的白色沉淀出現。白色沉淀轉變為綠色后轉移到濾紙上不一會就變成了紅褐色。

由于實驗條件的不同，氫氧化亞鐵制備可能會產生不同的實驗現象，如出現綠色、紅棕色、棕褐色、棕黑色甚至黑色沉淀等，這些都是很值得探究的課題。在這類課題研究中應引導學生動手進行實驗原理及反應條件等問題的探究，這可以幫助學生從更深層次認識實驗的本質，啟迪他們的科學思維，激發他們的創新意識，提升他們的學科素養。

參考文獻：

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