硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測定

劉亞楠 劉 葵 蘇秀榮

山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院 山東泰安 271018

硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測定

劉亞楠 劉 葵 蘇秀榮

山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院 山東泰安 271018

介紹了一個綠色無機化學綜合實驗，硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測定的實驗背景及意義，實驗步驟和課程安排，討論了該實驗在本科生化學實驗教學中的特色和實踐效果。

實驗教學；綜合實驗；硫酸亞鐵銨；三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀

無機化學實驗是化學實驗中心為化學學院大學一年級新生開設的一門獨立的基礎實驗課，旨在通過無機化學實驗課的學習，培養(yǎng)學生的基本實驗操作技能、良好的實驗習慣和科學的思維方式，為其他實驗課程的學習、進行科學研究以及從事相關實際工作奠定良好的基礎[1]。綜合性實驗課程在以培養(yǎng)應用型人才為目標的本科教育中顯得尤為重要。綜合化學實驗是將基礎實驗理論、實驗技能和實驗方法加以總結、相互融合，系統(tǒng)地進行實驗教學訓練。開設合理的綜合性實驗，將大大提高學生對實驗課程的興趣，提高學習的主動性和積極性，最大限度地鍛煉學生靈活應用所學知識進行科研創(chuàng)新的能力。

傳統(tǒng)本科大學無機化學課程驗證性實驗較多，綜合實驗相對較少，且缺乏綠色環(huán)保意識，這樣勢必影響應用型人才培養(yǎng)。為此近年來我院無機化學實驗教學一直在進行著改革，針對低年級學生開設的綜合性實驗，我們進行了積極的探索與嘗試。本文推薦一個綠色無機化學綜合實驗：硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測定。這3個實驗首尾相接，形成實驗鏈，包含了諸多實驗原理和方法，培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維的意識，提高實際操作能力，而且能充分利用實驗產(chǎn)品，減少藥劑的浪費，培養(yǎng)學生環(huán)保節(jié)約意識，實現(xiàn)綠色型實驗、節(jié)約型實驗的目的[2]。

1 實驗內(nèi)容

1.1 硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨的制備及測定

(1)將廢鐵屑1.5 g放入錐形瓶，加入15 mL 3mol?L-1H2SO4，置于通風櫥內(nèi)的水浴箱(80 ℃)中加熱，使鐵與硫酸充分反應，當氣泡冒出速度很慢時(約1 h)停止。加熱過程中，注意反應情況，適當補充蒸發(fā)掉的水分，保持溶液原有體積，以免FeSO4?7H2O結晶析出。停止反應后，迅速趁熱減壓過濾，及時將濾液轉移到準備好的容器中。未反應的鐵片吸干表層水分后稱重，算出已反應的鐵的質量。

(2)根據(jù)上述反應計算所需 (NH4)2SO4的量，稱取后量取適量水配成飽和溶液，加入至FeSO4溶液中，水浴加熱，蒸發(fā)濃縮至溶液稍變渾濁，或溶液表面或器皿接觸處有晶體薄膜出現(xiàn)。放置自然冷卻至室溫，使 (NH4)2SO4?FeSO4?6H2O結晶出來，減壓過濾除去母液，無水乙醇洗滌晶體。

(3)稱取1.0 g產(chǎn)品于25 mL比色管中，用15 mL去離子水溶解，再加入2 ml 3mol?L-1H2SO4和l mL 1mol?L-1KSCN溶液，加水稀釋至25 mL，搖勻。與標準色階進行目視比色，確定產(chǎn)品級別。

1.2 三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備

(1)稱取5.0 g自制的硫酸亞鐵銨晶體，加數(shù)滴3 mol?L-1H2SO4以防止固體溶解時發(fā)生水解，另稱取1.7 gH2C2O4?2H2O，將兩份固體分別用適量水溶解(查閱溶解度數(shù)據(jù)確定用水量)，將兩溶液緩慢混合，不斷攪拌下加熱至沸，保持微沸約4 min，停止加熱，靜置，取少量上清液于試管中煮沸，觀察是否還有沉淀產(chǎn)生(若還有沉淀則繼續(xù)加熱)，若無沉淀，則證實反應完全。靜置，待沉淀充分沉降后，用傾析法棄去上層液，用熱蒸餾水少量多次洗凈沉淀。所得沉淀即為FeC2O4?2H2O。

(2)稱取3.5 gK2C2O4?H2O，加10 mL蒸餾水微熱溶解，溶液加入到已洗凈的FeC2O4?2H2O中，將反應容器置于40 ℃左右的熱水中，充分攪拌條件下緩慢加入8 mL6%H2O2溶液，在生成K3[Fe(C2O4)3]的同時，有Fe(OH)3沉淀生成。H2O2加完后，取一滴所得渾濁液于點滴板中，加一滴K3Fe(CN)6溶液，如果出現(xiàn)藍色說明還有Fe(Ⅱ)，需再加入H2O2至檢驗不到Fe(Ⅱ)。將溶液加熱至沸(充分攪拌)，先一次加入6 mL 0.5 mol?L-1H2C2O4溶液，保持微沸，繼續(xù)滴加H2C2O4溶液，直至溶液變成透明的綠色。記錄H2C2O4溶液使用量。

(3) 待綠色溶液稍冷后，向溶液中加入10 mL無水乙醇，迅速將一小段棉線懸于溶液中固定好，將燒杯蓋好，在暗處放置數(shù)小時，即有K3[Fe(C2O4)3]?3H2O晶體析出，減壓過濾，少量乙醇洗滌晶體，抽干，晶體烘干水分，稱重，計算產(chǎn)率。

1.3 離子交換柱法測定三草酸合鐵(Ⅲ)配離子的電荷

(1)離子交換柱的準備：將處理過的無氯離子的陰離子交換樹脂和蒸餾水一起緩慢裝入交換柱中，打開活塞，讓水緩慢流出，使樹脂均勻自然沉降，用套有橡皮管的玻璃棒輕敲柱子外壁，使樹脂裝填均勻，樹脂間不留空隙、氣泡，樹脂裝填高度為柱高度的2/3，并且水面一定要高于樹脂面，以防樹脂暴露出水面。

(2)準確稱取0.1 g三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀配合物，加5 mL蒸餾水溶解，小心將全部溶液轉移至交換柱內(nèi)，以3 mL/min的速度流經(jīng)交換柱，收集在25mL容量瓶中。待液面接近樹脂表面時，用少量蒸餾水洗滌小燒杯，洗滌液轉移交換柱內(nèi)，繼續(xù)交換至接近樹脂表面時，再向樹脂柱中加少量蒸餾水洗柱，重復3～5次，用硝酸銀溶液檢查流出液至流出液中檢驗不到Cl—，停止交換，用蒸餾水將容量瓶的收集液稀釋至刻度，搖勻。

(3)準確吸取5.00 mL淋洗液于錐形瓶內(nèi)，加1滴0.2 mol?L-1K2CrO4溶液，用0.100 0 mol?L-1AgNO3標準溶液滴定至出現(xiàn)磚紅色沉淀為止，計算收集的氯離子的總摩爾數(shù)，即可算出配陰離子的電荷數(shù)(取最接近的整數(shù))。

2 授課安排

本次實驗共有12課時，具體安排如下。

(1)提前一周給學生介紹實驗的意義和目的，要求學生學會查找文獻的方法并閱讀文獻，掌握寫好綜合實驗報告的方法，重點突出實驗討論。實驗前寫好預習報告。

(2)第1～4課時：硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨的制備及測定。

(3)第5～8課時：三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備。

(4)第9～12課時：離子交換柱法測定三草酸合鐵(Ⅲ)配離子的電荷。

(5)以小論文方式提交實驗報告。

3 教學討論

本綜合實驗涉及無機化學，分析化學等多方面內(nèi)容，以及諸多實驗基本操作和技能訓練，在一年級學生的實驗教學中安排此次綜合實驗，能有效培養(yǎng)學生的科研興趣。學生需要自己查閱文獻，充分實踐了從查閱文獻到寫實驗報告的各個步驟，培養(yǎng)了他們對科技文獻的閱讀能力，使學生了解化學科學研究基本步驟及過程。

實驗過程中化學反應較多，涉及較多的無機化學基本原理，從廢鐵屑開始至生成K3[Fe(C2O4)3]?3H2O，是一個Fe→Fe(Ⅱ)→Fe(Ⅲ)的過程，涉及沉淀溶解平衡、氧化還原反應、配位反應、電離平衡等諸多原理。授課中增加驗證實驗加深學生們對配合物的認識，如用酒石酸氫鈉，檢測外界是否有K+，用CaCl2，KSCN溶液確定Fe3+和C2O42-是否為內(nèi)界離子，用KSCN，HAc，H2SO4和氨水溶液了解影響配合平衡的酸效應及水解效應，用Na2S溶液來了解沉淀反應對配合平衡的影響。用FeCl3，KSCN，NH4F，K2C2O4，K3Fe(CN)6及NaOH溶液判斷配位體SCN-，F(xiàn)-，C2O42-，CN-與Fe3+配位能力的強弱。使學生能夠深刻理解在K3[Fe(C2O4)3]溶液中加入酸、堿、沉淀劑或比C2O42-配位能力強的配合劑，將會改變C2O42-或Fe3+離子的濃度，使配位平衡移動，甚至平衡遭到破壞或轉化成另一種配合物。

(3)實驗還需應用一系列實驗基本操作技術，如稱量、水浴加熱、蒸發(fā)、濃縮、結晶、常壓、減壓過濾、離子交換柱和微量滴定管的使用等，是對學生進行無機化學基本理論和實驗操作技術的綜合訓練。

4 實踐效果

作為本科一年級學生開設的第一個綜合實驗，是學生從高中到大學實驗轉型后的一次綜合考驗，對于學生進行無機化學理論和實驗的學習、觀察、分析、解決實際問題的能力都有著積極的促進作用。本次實驗的過程中，生成物會出現(xiàn)顏色的多種變換，(NH4)2SO4?FeSO4?6H2O的淡綠色、K3[Fe(C2O4)3]?3H2O的翠綠色鮮艷晶體、Ag2CrO4的磚紅色沉淀等，有助于激發(fā)學生的學習、探究興趣。

為了開設綜合實驗，我們將教材中的實驗次序進行了調(diào)整，使單獨、孤立的實驗項目前后連接起來，形成一個連續(xù)的實驗鏈。第一個實驗采用廢鐵屑制備的硫酸亞鐵銨，是第二個實驗的原料，第二個實驗的產(chǎn)品是第三個實驗的原料，實驗環(huán)環(huán)相扣，增加了實驗過程的不可預見性，要求學生必須做好每一步實驗。而這種連續(xù)的實驗鏈，以低消耗高效率為特征，有利于實驗產(chǎn)物的再利用和實驗廢物的綠色化處理，延長了實驗產(chǎn)物的使用壽命，降低了實驗成本，節(jié)省了資源，貼近工業(yè)生產(chǎn)實際過程及在過程中需要解決的環(huán)境保護和資源有效利用的問題。

實驗開展幾年來，學生對本實驗表現(xiàn)出濃厚的興趣，以飽滿的熱情投入到實驗中。在整個實驗過程中，學生認真專注，力求每一步實驗都準確到位，得到產(chǎn)品后仔細的將自制的產(chǎn)品貼上標簽保存好，實驗的原始數(shù)據(jù)記錄清晰，以備出問題時可以及時查找，實驗完成后對下一步實驗充滿期待。我們要求學生以小論文的形式撰寫實驗報告，重點突出實驗討論部分，以提高學生的閱讀文獻和總結歸納能力。通過實驗結束后與同學們的交談和批閱實驗報告，我們發(fā)現(xiàn)，綜合實驗確實是學生最有興趣、學到的技能最多、收獲最大的實驗。

5 結束語

我們從教材中選取有代表性，包含多個基礎操作的實驗串聯(lián)起來，使單獨、孤立的實驗項目連接成實驗鏈。通過本綜合實驗，不僅可以提高科技文獻閱讀能力，了解化學實驗的基本步驟及過程，培養(yǎng)基本操作能力，分析和解決實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，培養(yǎng)獨立思考和解決問題的能力，培養(yǎng)整體思維和系統(tǒng)實驗的意識，盡快完成進入大學后的思想轉變。同時著力培養(yǎng)學生實驗過程中的綠色化學和資源有效利用意識。實驗的條件簡便，成本低，結果可靠。開設本實驗幾年來，每年都取得了滿意的效果，受到師生的一致好評。

[1]苗云霞.改革化學實驗教學，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].繼續(xù)教育研究,2009(2):155-156.

[2]陳小燕,李冰.綜合化學實驗的綠色化探索[J].廣州化工,2012(4):168-169.

[3]江豐云,王小龍.硫酸亞鐵銨制備的綠色化設計[J].大學化學,2006,21(1):51-54.

[4] 苗蘭蘭,畢小平,葛新.高校化學實驗:硫酸亞鐵銨的制備工藝[J].山西醫(yī)學大學學報,2003,34(2):167-168.

[5]姜述芹,陳虹錦,梁竹梅.三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀制備實驗探索[J].試驗室研究與探索,2006,25(10):1194-1196.

[6]武漢大學化學與分子科學學院實驗中心.無機化學實驗[M].武漢:武漢大學出版社,2002.

[7] 陳長寶,汪建民,周杰.介紹一個綠色循環(huán)綜合化學實驗:硝酸鎳和二氯化六氨合鎳(Ⅱ)的互相制備及其組成與性質的測定[J].高校實驗室工作研究,2010(9):28-30.

[8] 王磊,付偉軍.一個綠色無機化學綜合實驗:聚合硫酸鐵的制備及凈水性能研究[J].廣州化工,2014,13(41):282-283.

Generating and Measuring Ammonium Ferrous and Sulfatepotassium Trioxalatoferrate

Liu Yanan, Liu Kui, Su Xiurong

Shandong Agricultural University, Tai'an, 271018, China

Introduces a green comprehensive inorganic chemical experiment. It talks about the background and importance of generating and measuring ammonium ferrous and sulfatepotassium trioxalatoferrate , the steps and experiment arrangement and also discusses the feature and practise effects of this experiment in the whole Bio-chemical lecture.

experimental teaching; comprehensive experiment; ammonium ferrous; sulfatepotassium trioxalatoferrate

2016-01-28

劉亞楠，碩士，實驗師。劉葵，碩士，高級實驗師。

山東省高等學校教學研究改造項目(編號：2009281)。