對“鐵與鹽酸、硫酸溶液的反應”實驗藥品選擇的建議

曾華+陳勇+秦澤龍+沈光云

摘要：鐵與非氧化性酸發生反應生成Fe2+，但淺綠色現象在課堂實驗中難以快速實現。為解決此問題，在材料的選擇上進行了實驗探究，并對出現的諸多副反應現象進行了理論分析。發現用還原性鐵粉與8 mol/L鹽酸溶液反應能快速出現淺綠色現象，適宜做課堂教學實驗。

關鍵詞：鐵；鹽酸溶液；稀硫酸；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）12–0067–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“金屬與酸的反應”首次出現在人教版義務教育教科書九年級《化學》[1]下冊第八單元課題2。其次在人教版普通高中課程標準實驗教科書《化學1》第四章第四節中，介紹了關于Fe在常溫下在濃硫酸中的鈍化反應[2]。單質鐵與非氧化性酸發生反應生成Fe2+，這是毋須置疑的客觀事實。但在實際的實驗教學中發現：用含鐵金屬與稀鹽酸或稀硫酸的反應速率過于緩慢，課堂實驗中難以快速觀測到溶液由無色變為淺綠色的現象，且常伴隨著副反應的發生。眾多教師在對該實驗現象的解釋中選擇了回避，造成學生對實驗結論的接受度不高。

為此，我們設計了常見的含鐵金屬與不同濃度的硫酸、鹽酸溶液反應的研究實驗，并對實驗過程中出現的現象進行理論分析，以期得到在課堂實驗中快速出現淺綠色現象的實驗方案。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

普通鐵釘（規格：2寸、長50mm，1.5寸、長38mm；天津金利華源釘業有限公司）、A3鐵板（經切割機處理為鐵屑，下文簡稱“鐵屑”）、201不銹鋼（經切割機處理為屑，下文簡稱“不銹鋼屑”）、還原性鐵粉（分析純，廣東省化學試劑工程技術研究開發中心）、酸（選取中學實驗室常用濃度的酸：3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液、6 mol/L鹽酸溶液、8 mol/L鹽酸溶液）

1.2 實驗方法

在多次重復性實驗基礎上，選擇鐵釘（1.5寸、2寸）、鐵屑、不銹鋼屑、鐵粉分別與6 mol/L鹽酸溶液、8 mol/L鹽酸溶液、3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液各6mL于試管中進行實驗，并滴加植物油液封防止氧化，觀察、記錄實驗現象，記錄反應時間。

2 結果與分析

2.1 普通鐵釘反應實驗

由表1，表2可知，用不同規格的普通鐵釘與不同濃度酸溶液進行反應，淺綠色現象明顯，但所需時間較長，1d后能觀察到明顯現象，且普通鐵釘中含碳量較高，均會出現黑色懸浮顆粒。且隨酸的濃度增大，黑色顆粒增多。

2.2 鐵屑反應實驗

由表3可知，鐵屑與酸溶液反應出現淺綠色現象較鐵釘顏色更淺，但所需時間仍然很長，1d后能觀察到明顯現象，且鐵屑中含碳量較高，同樣出現黑色懸浮顆粒，其中硫酸溶液中出現的黑色顆粒較鹽酸溶液更多。

2.3 不銹鋼屑反應實驗

由表4可知，以不銹鋼屑為實驗材料進行實驗，綠色現象出現較快，尤其是第4組實驗，在5min內出現淺綠色現象，但不銹鋼片整體出現較多復雜實驗現象，雖未觀察到黑色顆粒懸浮物，但出現諸多如黃綠色、藍綠色等副反應的顏色現象。

2.4 鐵粉反應實驗

由表5可知，利用還原性鐵粉與稀鹽酸或稀硫酸反應，淺綠色溶液現象明顯，且實驗時間短，等濃度的鹽酸反應的現象較稀硫酸更快[3，4]。在筆者的實驗范圍內，選用8 mol/L的鹽酸實驗效果最佳。在此基礎上，若用酒精燈加熱試管，將會在30s內觀察到明顯的淺綠色現象。

3 注意事項

（1）含Fe2+的鹽溶液在酸性介質中較穩定，但隨著反應進行，仍易被氧化，故在保存含Fe2+的鹽溶液中應加入適量H+濃度為0.01 mol/L的相應酸，同時添加適量（1g） 鐵粉以防止氧化。

（2）若選用鐵屑或鐵釘與酸溶液進行實驗，需預先用酸洗除去鐵屑表面的鐵銹。

（3）經多次實驗證明：鹽酸、硫酸的濃度應適中，濃度太小反應速率太慢，濃度太大反應速率太快或鈍化，且反應時液體會沖出試管造成危險。建議使用筆者推薦的濃度進行實驗。

4 討論

4.1 酸的濃度不宜過大

根據文獻報道，常溫下Al、Fe、Cr等金屬在大于98%的硫酸（18.4 mol/L）中發生鈍化反應，由此可用鐵制容器盛裝冷硫酸[5]。因此，取常用濃度為3 mol/L或4 mol/L的H2SO4溶液，而不能選取濃度過大的濃硫酸。為理論上控制相應的H+濃度，故選擇2倍濃度的鹽酸溶液。

4.2 以嚴謹的科學態度選擇含鐵金屬

含鐵金屬種類眾多，筆者選用市面上常見含鐵金屬為實驗材料。生鐵釘為常見家用鐵釘，即常用生鐵（GBT-718-2005），除鐵外，還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素對性質試驗造成影響。國標顯示生鐵與A3鐵板的含鐵量低于不銹鋼，此外就其晶體結構而言，不利于與酸溶液發生置換反應。因此，鑒于Fe2+能被空氣中O2氧化原因，鐵釘與鐵屑均不宜于演示實驗。經過多次實驗證明，選擇鐵釘分別與6 mol/L鹽酸、3 mol/L硫酸提前一天進行實驗，雖可觀察到溶液中的淺綠色，但也證明了鐵釘中含有碳的黑色顆粒。此外，生鐵中含錳，在酸性介質中以+2價的粉紅色[Mn（H2O）6]2+水合離子存在，Mn（Ⅱ）為四面體配合物，在四面體中，其晶體分裂能較八面體場低，所以高自旋四面體型配合物顏色較深，呈黃綠色[6]。此外，鐵釘與稀硫酸發生反應，久置溶液，會有FeSO4·7H2O綠色晶體的析出。FeSO4·7H2O晶體在空氣中易氧化為黃褐色的堿式硫酸鐵（Ⅲ）Fe（OH）SO4，因此，在酸的選擇上，宜使用鹽酸。若選擇鐵屑與8 mol/L鹽酸提前一天進行實驗，可觀察到溶液中的淺綠色；若選擇4 mol/L的硫酸提前一天進行實驗，則液體中懸浮有較多的黑色顆粒會影響淺綠色的觀察。

4.3 杜絕實驗材料選擇中的“想當然”

有的教師認為不銹鋼含鐵量高于生鐵，于是在課堂實驗中選擇不銹鋼為實驗材料，其實不然。查閱資料得知，201不銹鋼其含碳量（%）≤0.15，硅：≤0.75，錳：5.5～7.50，鉻：16.0～18.0，氮：≤0.25，磷：≤0.060，硫：≤0.030，鎳：3.50～5.50，銅：半銅0.8，高銅1.5 [GB/T20878-2007]。不銹鋼屑與鹽酸或硫酸溶液反應，呈現諸多顏色變化，原因在于首先不銹鋼中鉻含量至少大于12%，且鉻的價電子層結構為3d54s1，6個價電子均可成鍵，具多種氧化態；在酸性介質中，非鈍化的鉻十分活躍，易將不銹鋼中銅、鎳等從其溶液中置換出來；在與鹽酸溶液反應中，鉻會先生成藍色的CrCl2溶液，進一步被空氣氧化為綠色的CrCl3溶液，由于Cr3+離子配位能力極強，在鹽酸溶液中以紫色的[Cr（H2O）6]3+、藍綠色的[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O和綠色的[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O形式存在；鉻與硫酸溶液反應生成Cr2（SO4）3與冷硫酸以紫色的 Cr2（SO4）3·18H2O、綠色的Cr2（SO4）3·6H2O與桃紅色的Cr2（SO4）3無水形式存在。其次Ni能溶于稀酸中，如與硫酸反應生成NiSO4，在溶液中能以綠色晶體NiSO4·7H2O形式存在。同理，Ni也能與鹽酸反應，其生成物以NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O等一系列綠色晶體形式存在[7]。因此，在表4所顯示的實驗現象中，觀察到的淺綠色并非完全為[Fe（H2O）6]2+所呈現的顏色。不銹鋼與硫酸發生反應，局部出現桃紅色Cr2（SO4）3、紫色的Cr2（SO4）3·18H2O、綠色Cr2（SO4）3·6H2O，故反應起初呈現淺紅綠色現象，隨著反應進行，鐵與鎳更多地參與反應，呈現深綠色現象。不銹鋼與鹽酸反應，現象較硫酸更復雜，反應起初，由于[Cr（H2O）6]3+、[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O、[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O和[Fe（H2O）6]2+的綜合配色影響，而顯淺黃綠色；隨著反應的進行，較多綠色晶體NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O的生成，將黃綠色掩蓋，因此可在1h后觀察到深綠色現象。由于不銹鋼中鉻含量很高，最終由于[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O的影響，使溶液呈現青色現象。由此，筆者認為不銹鋼與鹽酸或硫酸溶液反應，不宜用于金屬Fe與非氧化性酸的演示實驗或學生實驗。

結合實驗結果與分析，我們建議，在中學階段的演示實驗或學生實驗中，為提高課堂效率，宜使用還原性鐵粉（分析純或優級純）與8M的鹽酸溶液反應，能快速出現淺綠色現象。此外，可采用加熱法提高反應速率、滴加植物油液封以及添加過量鐵粉以防止氧化。

正是由于化學物質種類的多樣性與性質上的差異性，才讓世界五彩斑斕，吸引人們去探究發現其規律。中學教師應具備扎實的專業知識，格物致知，本著科學的實驗態度來研究實驗教學中出現的問題，不能單憑“想當然”而不借助理論知識，即便是看似簡單的中學實驗，也應以嚴謹的科學態度認真對待，并以實驗優化證實。

參考文獻：

[1]王晶等.義務教育課程標準實驗教科書·化學（下冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：9～11.

[2]宋心琦等.普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M].北京：人民教育出版社，2012：100～102.

[3]王程杰.關注氯離子效應在實驗中的應用[J].化學教學，2015，（12）：53～56.

[4]談小強.關于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析[J].化學教學，2012，（5）：47～49.

[5]劉懷樂.理性解讀濃硫酸的吸水性、脫水性和氧化性[J].教學儀器與實驗，2010，26（3）：29～31.

[6][7]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室.無機化學（下冊）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：760～784.