融合結構與原理的高三“鐵及其化合物”復習探秘凈水劑聚合硫酸鐵

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教學內容分析

“鐵及其化合物”是過渡金屬及其化合物的典型代表，其內容來源于山東科學技術出版社《化學必修第一冊》第3章第1節\"鐵的多樣性”。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》2（以下簡稱“新課標”提出內容要求：“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鐵及其重要化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用。”

高三學生已經具備一定元素化合物知識，但學生在解答試題或面對真實情境時遇到的問題往往是復雜的，其復雜性體現在素材可能涉及陌生元素或創設的問題需要調用多模塊知識解答。新課標要求利用元素在周期表中的位置和原子結構分析、預測元素化合物的性質。朱成東團隊[3]“硫及其化合物”單元教學的實踐研究中在“價-類”二維視角基礎上增添元素周期表維度，幫助學生建立三維認識思路并應用“價-類-表”三維圖解決天然氣除硫化氫的實際問題。該實踐在覆蓋知識內容的同時關注學生思維模型的搭建、進階與應用，為元素化合物教學提供了參考思路。

聚合硫酸鐵（PFS）是一種無機高分子凈水劑，具有水解速率快、絮凝體比重大等優勢，被廣泛應用于生活污水、工業廢水的處理。隨著技術的發展及綠色化學理念的推廣，制備PFS的鐵源不再局限于商品試劑，而是轉向對工業副產物開發再利用的方向，如利用鈦白粉工業副產物綠礬生產 PFS^[4] ，該工藝既保護了環境又提高了經濟效益。本研究從真實生產過程選取符合中學生認知特點的內容，將物質結構、反應原理知識融人其中，設計整合型情境，有利于優化高三復習教學。

2教學流程

基于以上教學內容分析，本課選取“制備并測評凈水劑聚合硫酸鐵”為素材，融合物質結構、反應原理模塊相關知識進行鐵及其化合物的復習，以期望學生建立“價-類-律”三維認識視角。教學流程如圖1所示。

3教學目標

（1）能從鐵及其離子價電子排布式推測其可能具有的性質，能從結構分析硫酸鐵高聚物的成因及其凈水優勢，發展“結構決定性質”的化學觀念。

（2）能描述鐵及其化合物的主要化學性質并應用價-類二維圖設計聚合硫酸鐵生成的理想路線。

（3）能調用化學反應限度、鹽類水解、溶度積常數、

邏輯線 任務線 活動線 知識線

什么是聚合 利用結構視角分析 探究聚合硫酸鐵形成原因 價電排式配 反應原理設計聚合硫酸鐵 用價-類二維圖設計 鐵及其化合物性質、物質生成的理想路線 聚合硫酸鐵的生成路線 分類、氧化還原反應該制備方案 預測能否利用Co、Ni 氧化還原反應、能否推廣？ 制備類似PFS凈水劑 鐵系元素性質的相似性與遞變 元素周期表性，綜合判斷方案能否推廣配位鍵等知識探究聚合硫酸鐵實際生產的工業方案，發展多視角思考工程問題的能力。

（4）能從元素周期律推測鐵系元素性質存在相似性與遞變性，能從信息資料分析 Fe³⁺ 、 Co³⁺ 、 Ni³⁺ 氧化性遞變規律，發展基于“價-類-律”三維視角預測陌生物質性質的能力。

4實施過程

4.1利用結構視角分析聚合硫酸鐵

［情境導入]聚合硫酸鐵是一種無機高聚物絮凝凈水劑，被廣泛應用于工業、生活污水的處理。硫酸鐵為何能形成高聚物？作為凈水劑又有何獨特優勢？通過鐵及其化合物的復習來嘗試解答這些問題。

[教師提問]請寫出Fe、 Fe²⁺ 、 Fe³⁺ 的價電子排布式，根據價電子排布分析其可能具有的性質。

[學生]從價電子排布可分析Fe、 Fe²⁺ 具有還原性，如圖2所示。

圖2從價電子排布分析鐵及其離子性質

[學生]Fe、 Fe²⁺ ！ Fe³⁺ 有過渡金屬及其離子的電子排布結構，在遇到配位能力強的物質時能提供空軌道形成配位鍵。

[教師點評]以上分析體現了“結構決定性質”觀念，在認識陌生物質聚合硫酸鐵時也需要從結構分析其性質。

[教師提問]我們知道有機物可以通過加聚反應或縮聚反應形成高聚物，但為什么無機物硫酸鐵能形成高聚物呢？閱讀資料1，從結構分析原因。

[資料1]鐵離子的水解是分步進行的，在不發生沉淀的酸性條件下該體系中存在大量羥基配離子，可用以下方程式表示。

[Fe（H₂O）₆]³⁺+H₂O?[Fe（OH）（H₂O）₅]²⁺+ （204號

[Fe（OH）（H₂O）₅]²⁺+H₂O?[Fe（OH）₂（H₂O）₄]⁺+

配離子能通過一OH之間的架橋作用形成二聚體、三聚體等[5]，進而形成相對質量大的高聚體，如圖3所示。其中，形成二聚體反應平衡常數數值為10-2.91

[學生]由資料1可知，聚合硫酸鐵的形成與水合鐵離子的逐步水解、鐵離子能形成配合物的結構特點及羥基的架橋作用有關。

[教師提問]從聚合硫酸鐵結構分析聚合硫酸鐵作為凈水劑有哪些獨特優勢？為什么需要開發此類新型

圖3PFS形成示意圖

無機絮凝凈水劑？

[學生]PFS是高聚物，相對質量大，沉降速度快，有利于提高污水處理效率。

設計意圖：以認識聚合硫酸鐵為目的開展任務，引入教學主題。先引導學生通過結構分析Fe、Fe2+、Fe3+的化學性質，初步掌握利用結構分析物質性質的思路，再進階到有一定難度的聚合硫酸鐵形成原因的探討，發展結構決定性質觀念。

4.2設計聚合硫酸鐵生成的理想路線

[學生活動]利用價-類二維圖設計聚合硫酸鐵生成的理想路線，并對設計路線進行評價。

[學生]自然界中的鐵主要以氧化物的形式存在，從來源角度考慮應選擇鐵的氧化物為鐵源，且為路線盡可能短，應選擇 Fe₂O₃ 。先加硫酸酸溶，再進行水解、聚合。該路線只涉及類別轉變，不涉及價態變化，流程簡單。

［學生]從綠色環保的角度考慮，還可以選用廢鐵為鐵源，因此設計出了以Fe為起點的轉化路線，如圖4所示。

圖4學生繪制PFS單體制備路線

設計意圖：學生通過聚合硫酸鐵生成的理想路線設計，復習鐵及其化合物的主要化學性質，完善物質變化觀念。學生對設計路線進行自評、互評，認識到物質及其轉化在自然資源綜合利用中的重要價值。

4.3探究聚合硫酸鐵生產的工業方案

［情境導入]用硫酸法生產鈦白粉時還產生大量副產物綠礬。合理利用副產物綠礬能提高資源利用率，降低工業生產成本，也有利于保護環境。

[教師提問]利用工業副產物綠礬制備PFS需先進行原料除雜。工業副產物綠礬中含有 TiOSO₄ 和一些難溶物雜質，對比 FeSO₄ 與難溶物的溶解度差異讓我們想到了溶浸后的過濾操作。參考資料2，思考能否通過調節條件使 TiO²⁺ 也一并沉淀除去？

[資料2]已知： ①TiO²⁺ 水解： TiO²⁺+2H₂O? TiO（OH）₂+2H⁺

② 25^qC 時

③25% 時， ，K_sp[Fe（OH）₂]=2×10^-18 （該溫度下飽和 FeSO₄ 濃度為 2mol?L^-1 ）

[學生]該溫度下飽和 FeSO₄ 溶液中 Fe²⁺ 開始沉淀pH 為5， TiO²⁺ 完全沉淀 pH 為2，故調節 ΔpH 至2～5可以除去 TiO²⁺ 而減少 Fe²⁺ 的損耗。

[教師提問]通過計算可見該方案可行。通過搜集資料發現在進行除雜時往往還加入鐵粉。從氧化還原、平衡移動角度思考鐵粉的作用。

[學生]加入鐵粉發生反應 Fe+2H⁺=Fe²⁺+ H₂↑ ，促進 TiO²⁺ 水解平衡正向移動，有助于 TiO²⁺ 完全沉淀除去。

[學生］加入鐵粉發生反應 Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺ ，可抑制 Fe²⁺ 氧化為更易水解的 Fe³⁺ 隨雜質一并沉淀，減少鐵元素損耗。

[教師提問]過濾得到精制 FeSO₄ 溶液后要對其進行氧化。以下兩種方案在PFS實際生產中均有應用，請從產品純度、原料利用率、綠色環保等角度評價兩方案各自的優勢與需要注意之處。

方案 1：NaClO₃ 方案 2：H₂O₂

［學生]方案1以 NaClO₃ 作氧化劑所得產物中可能殘留鈉鹽，方案2以 H₂O₂ 作氧化劑不會向反應體系引入雜質，方案2有產品純度高的優勢。

[學生] H₂O₂ 受熱易分解，使用方案2需注意監測反應溫度。

[教師]用 H₂O₂ 在常溫氧化 FeSO₄ 實驗過程中可觀察到持續產生小氣泡，因為 Fe²⁺ ） Fe³⁺ 對 H₂O₂ 分解具有催化作用[]。故應通過分批多次添加、控制 H₂O₂ 投料量等方法減少 H₂O₂ 分解損失，提高利用率。

[教師]得到 Fe₂（SO₄）₃ 后進行逐步水解、聚合即可得到聚合硫酸鐵。

設計意圖：引導學生調用溶度積常數、化學平衡、鹽類水解等知識解決工業制備聚合硫酸鐵中原料除雜、氧化劑選擇、條件控制等實際問題，通過搭建知識聯結支架，突破解決真實情境復雜問題障礙，建立元素化合物與反應原理知識關聯，培養學生多視角看待物質轉化的能力。

4.4檢測聚合硫酸鐵凈水性能

[情境導入]工業產品PFS可用鹽基度 B 衡量其絮凝效果，其定義式為B=（（OH） 相關研究表明，PFS的鹽基度在 10%～16% 時絮凝效果最好[8]

[教師提問]滴定是常用的定量測定方法之一。參考資料3，基于 OH^- 與 Fe³⁺ 的化學性質設計滴定方案測定一定質量樣品中的 n（OH^-） 及 n（Fe³⁺） 。

[資料3]EDTA-2Na溶液中，每個 EDTA^2- 可電離出2個 H⁺ ，生成 EDTA^4- 。 EDTA^4- 中的2個N、4個0都可以與金屬離子配位，如圖5所示，其與 Fe³⁺ 反應的化學計量比為 1：1 。

提示：二甲酚橙與 Fe³⁺ 形成紅紫色絡合物，而游離的二甲酚橙溶液呈亮黃色。

圖5EDTA螯合物相關資料

[學生]可以利用酸堿中和滴定測定一定質量樣品中的 n（OH^-） 。選用一定濃度標準硫酸溶液為滴定劑，甲基橙為指示劑。

[教師追問]工業產品聚合硫酸鐵產品為固態，在滴定時需要溶解后再進行滴定，再次思考方案如何優化？

[學生]加定量、過量的硫酸溶解樣品，隨后以標準NaOH溶液為滴定劑，以甲基橙為指示劑對剩余 H⁺ 進行返滴定。

[教師追問]酸溶后的溶液中存在 Fe³⁺ ， Fe³⁺ 也能和Ω_oH^- 反應產生干擾，如何排除干擾？

[學生]可利用 Fe³⁺ 能形成配位鍵的性質，在滴定前加入適量KF與 Fe³⁺ 配合，排除其對剩余 測定的干擾。

[學生]可以利用配位滴定測定樣品中的 n（Fe³⁺） 。取與測定 n（OH^-） 時質量相等的樣品，加硫酸溶解，先加少量二甲酚橙作指示劑，與 Fe³⁺ 結合顯紫色，再用EDTA標準液滴定，當溶液由紫變黃且半分鐘內不恢復原色時，記錄所用EDTA標準液體積。

設計意圖：引導學生調用離子反應、配位鍵、滴定實驗等知識設計樣品鹽基度測定方案并進行小組討論與匯報，在交流、互評和教師引導下確立凈水劑鹽基度測定實驗設計的基本思路。通過較為復雜的滴定實驗設計探討，建立元素化合物與物質結構知識關聯，進一步發展聯系相關知識解決實際問題的能力。

4.5 預測能否利用Co、Ni制備類似PFS凈水劑

[問題導入]鐵、鈷、鎳都位于第四周期VIII族，通常將這三種元素稱為鐵系元素，其性質有一定相似性與遞變性。類比由鐵單質制備中間產物硫酸鐵的路線，思考如何以Co、Ni為原料設計制備其三價硫酸鹽的路線。

[學生]通過鐵系元素相似性推測，可先利用硫酸溶解Co、Ni單質生成對應的二價硫酸鹽，再選用氧化劑進行氧化即可得到三價硫酸鹽。

[教師追問]同族元素又存在性質遞變，請參考資料4，總結 Fe³⁺ 、 Co³⁺ 7 Ni³⁺ 性質遞變規律，綜合判斷是否能利用 Co_? Ni制備類似PFS的凈水劑？

[資料4]

Fe²⁺ 被 H₂O₂ 氧化： 2H₂O

LiCoO₂ 將 H₂O₂ 氧化： 2LiCoO₂+H₂O₂+6H⁺= 2Li⁺+2Co²⁺+4H₂O+O₂↑

Fe（OH）₃ 與HCI反應： Fe（OH）₃+3HCl= FeCl₃+3H₂O

Co（OH）₃ 與HCI反應： 2Co（OH）₃+ 6HCl= 2CoCl₂+Cl₂↑+6H₂O

［學生］由資料4可知氧化性 Fe³⁺3+3+ 。Co³⁺ 、 Ni³⁺ 的氧化性比較強，可能性質較活潑，產品穩定性較差。

[學生]制備過程涉及將二價金屬離子氧化成三價金屬離子的反應， Co³⁺ 、 Ni³⁺ 氧化性較強，可能需要更強的氧化劑才能將 Co²⁺ 或 Ni²⁺ 氧化，這可能帶來氧化劑選擇范圍較窄、氧化過程較劇烈等問題。

[教師總結]很好，通過討論，我們共同得出了如圖6所示的鐵系元素“價-類-律”三維圖。

設計意圖：引導學生基于同族元素性質相似性與遞變性討論能否利用Co、Ni制備類似PFS凈水劑，期望引入周期律讓學生敢于預測利用Co、Ni制備其三價硫酸鹽的路線，總結同族同類別同價態物質性質的遞變規律，增長認識物質的視角，從“價一類”二維拓展到“價一類-律”三維視角。

［總結]本節課我們復習了鐵及其化合物的主要性質，在物質結構、反應原理知識的支持下探討了物質制備的一般流程，并利用元素周期律探討了將方案推廣至其他元素是否可行，形成了如圖7的物質制備認識模型。

5 教學反思

5.1教學效果

為檢驗教學目標達成情況，依據學生綜合運用元素化合物、反應原理、物質結構等相關知識完成學習任務時能達到的水平層級，設計了合格、良好、優秀三個評價等級，組成本節課學生自評量表，如表1所示。

表1評價量表

續表

對48位學生課后自評情況進行統計，結果如圖8所示。在本課五個學習任務中，有四個任務學生自評達到良好以上水平的比例超過 50% ，優秀水平的比例約為 10% ，表明本課整體任務難度梯度設置較為合理。在課后進行訪談時，學生表示融合結構與原理的知識分析化合物的制備問題拓展了其思考角度，對形式新穎的“價-類-律”三維圖印象深刻。結合任務5自評數據可知， 70.83% 的學生在借助同族元素性質相似性與遞變性預測方案能否推廣的任務中達到良好及以上水平，說明該設計能較好地將學生已有的“價-類”二維認識視角向“價-類-律”三維認識視角拓展。本節課學生整體表現符合預期目標，達成了以下成效：（1）幫助學生建立元素化合物與物質結構、反應原理模塊的知識關聯。（2）啟發學生應用“價-類-律”三維視角分析物質性質。

5.2 改進建議

復盤本節課的設計與實施，結合以上分析，需在以下幾方面進一步改進。

5.2.1 需增強問題的指向性與生成性

任務2學生自評中合格占比偏高（ 54.17% ）而優、良占比稍顯不足（ 10.42% 、 35.42% ），進一步訪談交流后得知有以下原因：一方面是學生沒能應用任務1的提示信息一—硫酸鐵需要在酸性條件下逐步水解進而形成高聚物。雖然已在任務1中提供關鍵信息，但仍有超過半數的學生機械地遷移水解通式選用水作為反應試劑，表明任務之間信息遷移的提示不足，需要通過顯性標注再次提示學生；另一方面，任務2要求學生自主設計聚合硫酸鐵制備路線并作出評價，學生反饋該任務時需要在短時間內對鐵源、試劑和評價角度進行選擇并決策，具有較高的開放度。可結合反饋進行反思，采用結構化開放的設計策略進行優化改進，給出可選鐵源與試劑清單，列明“流程步驟數”“綠色環保”等評價維度。期望通過以上改進增強任務問題的指向性，促進學生有效思考，切實鍛煉學生充分應用信息設計物質制備路線的能力。

5.2.2需進一步促進知識關聯結構化

本節課主要通過任務3、4中工業制備聚合硫酸鐵與測評其凈水性能的方案探究來診斷、發展學生調用物質結構、反應原理知識解決化合物制備中出現的真實復雜問題的能力。任務3、4自評中體現出的良好占比（ 58.33% 1 45.83% ）尚可，優秀占比（ 12.5%.10.42% ）不足的問題，說明學生反應原理、物質結構、元素化合物模塊之間知識關聯的結構化程度較低。該知識結構化缺陷與學生必修、選擇性必修學習階段碎片化認知未能有效關聯的遺留問題有關。為了進一步促進學生物質結構、反應原理、元素化合物模塊相關知識的結構化，后續會繼續開展和加強融合結構與原理知識解決熟悉無機物工業制備問題的教學。

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