用摩爾鹽制備納米鐵粉的實驗探究
2012-04-29 00:00:00戎項吉黃建波
中學教學參考·理科版 2012年1期
一、制備
1.制備草酸亞鐵反應方程式
Fe(NH4)2(SO4)2+H2C2O4+2H2O△FeC2O4#8226;2H2O↓+(NH4)2SO4+H2SO4
2.實驗思路
納米鐵粉極活潑，只能現用現制，要制得納米鐵粉，首先要制得草酸亞鐵。由于學校實驗室沒有草酸亞鐵，只能自己制備。根據草酸亞鐵難溶于水的性質，考慮用亞鐵鹽溶液和草酸溶液直接反應制備。而一般的亞鐵鹽不穩定，所以考慮用摩爾鹽。于是在實驗室中找到了摩爾鹽［Fe(NH4)2(SO4)2#8226;6H2O，相對分子質量：392g/mol］和草酸晶體（H2C2O4#8226;2H2O，相對分子質量：126g/mol），又查閱了文獻得到了相關數據。因草酸在熱水中的溶解度比在冷水中大很多，為了節省時間，所以決定用熱水配制摩爾鹽和草酸晶體的濃溶液來制取草酸亞鐵（FeC2O4#8226;2H2O）。
3.實驗操作
用托盤天平稱取28.0g摩爾鹽和9.0g草酸，分別倒入燒杯中，向裝有摩爾鹽的燒杯加入約80mL水，加熱使之完全溶解后再加熱約20s。向裝有草酸的燒杯中加入約20mL水，加熱并攪拌至恰好完全溶解，立即停止加熱，并馬上將兩溶液倒入一只大燒杯中，振蕩后過濾，洗滌，干燥。
本來這個操作沒什么可說的，但在過濾后，發現濾液呈黃色。與FeCl3溶液顏色簡直一模一樣。但是反應物是等摩爾稱取的，濾液應為無色澄清的，怎么會顯黃色呢？于是用滴管吸取少量濾液到試管中，加入適量草酸溶液，無明顯現象。再吸取少量濾液到試管中，滴入幾滴KSCN溶液，溶液呈極淺的紅色，再滴入約10滴KSCN溶液，溶液才呈血紅色。說明存在Fe3+，但濃度極小。又做了幾個驗證實驗，終于明白了其中的緣由。
（1）配制少量摩爾鹽溶液，并逐滴滴入約10滴KSCN溶液，看到溶液由淺紅色轉為血紅色，說明原料中就含有Fe3+。
（2）取少量0.1mol/LFeCl3溶液滴入幾滴KSCN溶液，溶液呈血紅色，逐滴滴入草酸溶液，看到紅色變淺，最后又呈現出了那種極淺的紅色。不滴KSCN溶液，重復上述操作，溶液呈黃色。
其實仔細看看試劑瓶上的說明就明白了，雜質里有0.01%的Fe3+，KSCN溶液與Fe3+的反應又極靈敏，所以就呈現出淺紅色。草酸能跟Fe3+形成［Fe(C2O4)3］3-配離子，所以濾液是黃色。于是我們又做了以下實驗。
（1）向黃色溶液中加入還原鐵粉，產生大量氣泡。于是想起反應生成了硫酸，現在溶液呈強酸性。
（2）向黃色溶液中滴入酚酞，出現白色渾濁，振蕩后渾濁消失。向溶液中滴入6mol/LNaOH溶液，有紅色沉淀生成，稍振蕩后沉淀消失。溶液呈紅色時，突然生成大量紅色沉淀。
（3）向黃色溶液中滴入6mol/LNaOH溶液，有綠色沉淀生成，稍振蕩后沉淀消失。如此進行一段時間后，溶液突然全部呈墨綠色，靜置后發現墨綠色物質為沉淀。但清液上部呈現紅棕色。
大量的Fe2+是從哪來的呢？仔細分析溶液中應有的成分之后，我們得出了正確結論，并做了實驗進行驗證。
（1）取少量洗滌過的草酸亞鐵加入試管，再加入約5mL水，振蕩后靜置。上層清液呈無色。
（2）向試管中滴入一滴0.1mol/LFeCl3溶液，振蕩后靜置。上層清液呈黃色。向另一只試管中加入約5mL水，也滴入一滴0.1mol/LFeCl3溶液。溶液幾乎呈無色，可以認為黃色不是由Fe3+引起的。
（3）分別向兩試管中滴入幾滴KSCN溶液，裝有草酸亞鐵的試管中溶液呈極淺的紅色。另一支試管中溶液呈血紅色。可以看到，少量的Fe3+是溶液中存在大量Fe2+的原因，而溶液中仍只有少量Fe3+，可知是由于少量的Fe3+與溶液中微量溶解的草酸根離子配合成［Fe(C2O4)3］3-離子，使得草酸亞鐵的溶解平衡向右移動，使得溶液中存在大量Fe2+離子，Fe2+離子本身呈淺綠色。由于Fe3+濃度較小，溶液中又有黃色的［Fe(C2O4)3］3-離子，所以濾液呈現黃色。
因固體在加熱蒸干時易分解，故干燥溫度不宜太高。
二、制備納米鐵粉
1.反應方程式
FeC2O4#8226;2H2O△Fe+2CO2↑+2H2O
2.裝置設計思路
為了安全起見，使用厚壁大試管。為了在通氣的同時防止空氣進入試管，配了一個單孔橡皮塞，孔里插有玻璃彎管，為方便冷凝水排出，彎管口向下傾斜，并用燒杯接水。考慮到反應會有大量氣體生成，且反應物和生成物都是極細的粉末，預計極有可能發生沖料現象，故試管口向上傾斜而不是向下傾斜。但反應又有水生成，所以要再準備一盞酒精燈用來驅趕水分。反應結束后冷卻時氣體收縮，會使空氣進入，要換上一個無孔的橡皮塞，于是又配了一個無孔的橡皮塞。
3.實驗記錄
（1）檢查裝置的氣密性，良好。
（2）向大試管中加入四藥匙草酸亞鐵粉末，塞上帶有導管的塞子。
（3）用酒精燈預熱試管，然后加熱試管尾部。
（4）加熱到反應發生時，試管內出現翻騰現象，同時黃色粉末慢慢變黑。試管上部出現冷凝水，用另一盞酒精燈加熱趕去水分。同時，彎管內冷凝水隨著氣體生成而來回流動，彎管口出現水霧。
（5）翻騰現象停止，但大部分粉末仍為黃色，彎管內冷凝水仍在來回流動。
（6）粉末已基本呈黑色，彎管內冷凝水的流動也明顯慢了下來，可以認為反應已基本完成。但彎管內仍有冷凝水，此時拔下塞子，冷凝水將流入試管。玻璃導管口略向下傾斜，然后拔下塞子。完成上述操作，快速拔下塞子，立即塞上無孔塞。放在一旁冷卻。
4.產物驗證
產物中有水是顯而易見的，有些資料中的說法認為反應先生成FeO和CO，再由CO還原FeO得納米鐵粉，并有部分FeO在高溫下分解生成Fe3O4和鐵粉。根據這一分析設計實驗步驟。
（1）重新進行制備納米鐵粉的實驗，彎管口通過橡皮管先接安全瓶再接裝有NaOH濃溶液的洗氣瓶，可以觀察到氣泡，出現翻騰現象時，用燃著的木條靠近洗氣瓶出氣口，有淡藍色火焰沿導管向洗氣瓶內蔓延，引發爆鳴！幸無人員傷亡，也無儀器損壞。說明反應有可燃性氣體生成。
（2）此時區分Fe3O4粉末與鐵粉的唯一突破口是Fe3O4有磁性，是有兩極的，而鐵粉只是能被吸引。取一小磁針（在此感謝物理老師），從各個方向慢慢靠近試管中的黑色粉末，發現在一個位置出現輕微的排斥現象（若都是吸引，則將試管旋轉一個明顯的角度，再次用小磁針靠近，直至旋轉360°），說明反應產物中有Fe3O4。再與（1）綜合考慮。可燃性氣體應為H2。有CO生成的說法可能是以此為依據。但這個依據是錯誤的。
綜上，應有鐵粉與水蒸氣發生副反應，反應方程式為：3Fe+4H2O△Fe3O4+4H2↑。
三、納米鐵粉性質驗證及探究
1.驗證納米鐵粉能在空氣中自燃及燃燒產物鑒定
（1）實驗記錄
將冷卻完畢的鐵粉堆放在試管口，快速拔下塞子，將鐵粉撒在石棉網上。鐵粉在下落時即發生自燃，產生一束束火花，落在石棉網上后，有一小部分繼續燃燒。燃燒完畢后，觀察到粉末分兩層，上層為紅棕色，應該為Fe2O3；下層為黑色，應該為Fe3O4。等待5min，產物應該已經冷卻。
（2）產物鑒定
根據猜想設計實驗步驟。
①用鐵質鑷子有節奏地輕敲石棉網，發現黑色粉末聚成半球狀（其實這個現象還蠻有趣的），鑷子上沾有黑色粉末。用塑料薄膜包裹的磁鐵靠近，發現能被吸引。說明黑色粉末為磁性物質，是Fe3O4。
②用上述磁鐵吸起所有能被吸起的粉末，將磁鐵從塑料薄膜上移開，用濾紙接住落下來的粉末。再次吸起，再次移開，換一張濾紙接住粉末，如此反復進行多次以確保沒有紅棕色粉末吸附在黑色粉末上。當濾紙上沒有明顯殘留粉末時。將濾紙上和石棉網上的粉末和吸在薄膜上的粉末分別收集到燒杯中。
③向裝有黑色粉末的燒杯中緩緩加入約10mL2mol/L鹽酸，觀察到固體明顯減少，溶液呈黃綠色，沒有氣泡生成。說明基本不存在沒有發生反應的鐵粉。
④取少量上述溶液，滴入幾滴KSCN溶液，溶液呈血紅色，說明存在Fe3+。再取少量上述溶液，滴入幾滴酸性KMnO4溶液。溶液紫紅色褪去。說明存在Fe2+。綜上，黑色粉末為Fe3O4。
⑤對裝有紅色粉末的燒杯進行上述③操作，同樣觀察到粉末溶解，但溶液呈黃褐色。再進行上述④操作，滴入KSCN溶液后，溶液呈血紅色，說明存在Fe3+；滴入酸性KMnO4溶液后，無明顯現象，說明不存在Fe2+。綜上，紅棕色粉末為Fe2O3。
（3）反應過程探究
由于反應過程難以研究，只能根據鐵的相關性質作出推斷：鐵在常溫下與氧氣反應生成Fe2O3，在純氧中燃燒生成Fe3O4。可以認為是鐵粉先跟氧氣作用生成Fe2O3，由于納米鐵粉表面積很大，反應速率很高，反應放出熱量又高，溫度在短時間內急劇升高，達到鐵的著火點后，未反應的鐵粉在空氣中燃燒，生成Fe3O4。
為了驗證猜想，又做了以下試驗。
重新制取一管納米鐵粉，冷卻后稍微拔出橡皮塞，使其與試管壁間空出一個小縫隙使空氣慢慢流入。等待5min，反應應已結束。試管中為黑色粉末，黑色粉末能被磁鐵吸引。鑒定產物（詳細操作見上③、④），黑色粉末為Fe3O4。說明假設錯誤，應該是先生成Fe3O4再生成Fe2O3。這樣一來，紅棕色粉末在上層，黑色粉末在下層這一現象也可以解釋了。塞子打開的時候，空氣涌入，靠近試管口的鐵粉先跟氧氣反應生成Fe3O4，并放出大量熱，使未反應鐵粉溫度升高。將鐵粉倒出時又有鐵粉跟氧氣反應生成Fe3O4，溫度急劇上升，剩余鐵粉燃燒生成Fe2O3。解釋了紅棕色粉末在上，黑色粉末在下這一現象。
反應方程式：3Fe+2O2Fe3O4（第一步）；
4Fe+3O22Fe2O3（第二步）。
2.納米鐵粉與水的反應探究及產物鑒定
(1)實驗記錄
在實驗一中觀察到納米鐵粉在下落時即可發生自燃，所以不能直接從水面上將鐵粉倒入水中，指導教師認為直接向試管中加水會引起試管爆裂。綜合考慮以上因素設計實驗步驟。將鐵粉堆放到試管底部，找一個大水槽，將試管浸入水中，一只手捏住試管尾部，將試管口慢慢向下傾斜到最大，使鐵粉仍待在原位置。用另一只手拔下塞子，并將拔塞子的手撤出。然后使試管口豎直向下，將鐵粉倒出，并及時撤出手，退后幾步觀察。鐵粉遇水即劇烈反應，產生大量無色氣體，同時生成紅棕色固體。推斷氣體為H2，紅棕色固體為Fe2O3。
(2)產物鑒定
考慮到氫氣的危險性，不對其進行鑒定。
①將紅棕色固體收集到燒杯中，向燒杯中緩緩加入約10mL2mol/L鹽酸，觀察到固體明顯減少，溶液呈紅棕色，沒有氣泡生成。說明不存在未反應的鐵粉。
②取少量上述溶液，滴入幾滴KSCN溶液，溶液呈血紅色，說明存在Fe3+。再取少量上述溶液，滴入幾滴酸性KMnO4溶液，溶液紫紅色不褪去，說明不存在Fe2+。
綜上，紅棕色固體為Fe2O3。
反應方程式為：4Fe+6H2O2Fe2O3+6H2↑。
(責任編輯 廖銀燕）
