硫 酸 亞 鐵 銨 教 學 實 驗 的 改 進

杜姣姣， 楊囯鑫， 鄭阿群， 白艷紅

(西安交通大學 理學院化學實驗教學中心， 西安 710049)

0 引 言

硫酸亞鐵銨[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]，又稱莫爾鹽，是淺藍綠色的單斜晶體，比一般的亞鐵鹽穩(wěn)定，不易被氧化，在定量分析中常用來配制亞鐵離子的標準溶液[1-2]。實驗室制備硫酸亞鐵銨分為2步：① 制備硫酸亞鐵溶液；② 硫酸亞鐵與等物質(zhì)量的硫酸銨混合，加熱濃縮，冷卻結(jié)晶即可得到硫酸亞鐵銨晶體[3]。

硫酸亞鐵銨的制備是大學化學實驗中一個經(jīng)典的綜合性實驗[4]。該實驗涉及到大量的化學知識和一系列基本操作，因此對學生鞏固所學知識，培養(yǎng)動手能力具有極為重要的作用。實驗過程中選用本校工程坊機械加工產(chǎn)生的廢棄物鐵屑為原料，節(jié)約成本，變廢為寶，屬于再生利用資源的節(jié)約型實驗[5]。通過本實驗，學生一方面可學到稱量、溶解、水浴加熱、傾析、常壓過濾，減壓過濾、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、目視比色等一系列化學基本操作[6-7]；另一方面，培養(yǎng)學生如何通過化學方法將廢棄資源再生利用的綠色化學理念[8]。然而，目前實驗是在敞口容器中進行反應，廢鐵屑含有的碳、硫、磷等雜質(zhì)，與稀硫酸反應時放出少量H2S、PH3等有害刺鼻氣體，嚴重影響師生的身心健康[9]，其次加熱過程中易導致Fe2+被氧化成Fe3+，造成產(chǎn)品質(zhì)量、等級下降，此外實驗教學中還存在試劑用量大等問題[10-12]。為此，針對實驗中出現(xiàn)的上述問題，反復進行探索實驗研究，提出了一種對反應實驗裝置、實驗用量進行改進的新方法，該方法不僅提高了產(chǎn)物的質(zhì)量，降低了實驗能耗，減少了實驗室污染，而且提高了學生實驗的興趣及環(huán)保意識，實現(xiàn)了化學實驗教學的綠色化[5,8]。

1 實驗改進的依據(jù)

硫酸亞鐵銨制備實驗中涉及一系列化學基本操作，對實驗知之甚少的多數(shù)大一新生的基本操作技能的培養(yǎng)具有重要意義。但是，實驗存在尾氣未處理，試劑用量大等問題，均不符合綠色化學的思想，需要對傳統(tǒng)實驗存在問題進行綠色改進，培養(yǎng)學生綠色實驗理念。

1.1 鐵屑不純

實驗采用機床加工產(chǎn)生的廢棄鐵屑為反應原料，以達到廢物利用的目的。由于廢鐵屑不純，含有C、S、P等雜質(zhì)，在與稀硫酸的反應過程中不可避免的產(chǎn)生少量H2S、PH3等有害刺激性氣體，即使是在通風的條件下，反應逸出的刺鼻氣體仍會充滿整個實驗室，直接影響學生實驗進程，甚至會危害實驗者的身體健康。

1.2 裝置敞開

原實驗是在敞口錐形瓶中進行，雖在反應過程中蓋上了表面皿，但在反應過程還是有大量水分被蒸發(fā)而損失，需要及時補充水分，在往容器中補充水時，會有大量有害氣體逸出，有害氣體H2S主要由呼吸道吸入而中毒，一旦吸入會迅速分布在腦、腎、肝、胰腺等組織，且中樞神經(jīng)系統(tǒng)最先受到影響[13-14]。敞開的反應體系，實驗過程產(chǎn)生的有害氣體沒有被收集，直接排放在空氣中，不僅對環(huán)境污染嚴重，還給師生的身體健康造成隱患。

在開放式裝置中進行反應，難免會與外界的空氣接觸。加熱過程中，實驗產(chǎn)生的硫酸亞鐵會與空氣中的氧氣接觸，將部分Fe2+被氧化為Fe3+，反應產(chǎn)物不理想，出現(xiàn)黃色溶液，降低產(chǎn)品等級。

1.3 實驗用量

在錐形瓶中加入4.0 g鐵屑和3.0 mol/L H2SO425 mL，反應物用量較大，反應需較長時間，還會有較多有害氣體釋放到環(huán)境中，同時H2為易燃易爆氣體，存在巨大的安全隱患。實驗用量大，造成試劑浪費，也會帶來環(huán)境污染。在保證有明顯實驗現(xiàn)象提前下，試著減少試劑用量，是綠色化學思想在實驗中的體現(xiàn)。

2 實驗改進

根據(jù)制備實驗出現(xiàn)的問題以及教學實踐中獲取的經(jīng)驗，在原有實驗裝置基礎(chǔ)上，進行了如下改進。

2.1 實驗裝置改進

原實驗裝置如圖1(a)所示，將廢鐵屑與稀硫酸裝入敞口錐形瓶中，反應產(chǎn)生的有害氣體未處理，易造成環(huán)境污染。針對原敞開式實驗裝置的不足，將裝置改為封閉且配有尾氣吸收裝置如圖1(b)所示，這樣體系內(nèi)部產(chǎn)生的有害氣體可被碳酸鈉堿液吸收，還可防止外界空氣進入。

(a) 改進前(b) 改進后

圖1 改進前后的硫酸亞鐵制備裝置

鐵屑與稀硫酸的反應在錐形瓶-橡膠塞封閉體系中進行，體系連有尾氣吸收裝置。廢氣吸收裝置中漏斗口一半浸在水面下，一半露出水面以達到既能吸收尾氣又可防止倒吸的效果。采用錐形瓶-橡膠塞封閉式體系-尾氣吸收裝置，一是反應釋放的H2S、PH3等有害氣體可被碳酸鈉溶液吸收，避免了有害氣體排放到大氣中，保護了實驗環(huán)境，實現(xiàn)了化學實驗室的綠色化，二是避免了硫酸亞鐵裸露在空氣中而被氧化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

稀硫酸與鐵屑的反應裝置雖是封閉的，但在加熱過程不可避免有少量水蒸汽流失，利用注射器補充水分，保證了在密閉體系的前提下，反應容器中溶液的總體積不變，解決了反應過程中隨著水蒸汽散失，溶液濃度逐漸增大，硫酸亞鐵會少量析出和被氧化的問題，產(chǎn)品質(zhì)量由此得到保證。同時反應生成的氫氣排除反應體系內(nèi)的空氣，使反應體系處于還原狀態(tài)，也可有效抑制Fe2+被氧化成Fe3+，提高了產(chǎn)品等級。注射器在生活中非常常見，密封性好、比滴管的量要大，比漏斗要好操作而且簡便，不用給膠塞打孔就可以加液，密封效果好[15]。

2.2 試劑用量改進

在保證培養(yǎng)學生基本操作的前提下，鐵屑質(zhì)量由4.0 g減少為2.0 g，其他試劑用量也相應減少了，既可降低試劑消耗又可減少對環(huán)境的污染，還可縮短反應時間。保證實驗效果的同時，準確地掌握實驗試劑用量，既能得到滿意的實驗效果，提高教學質(zhì)量，而且對學生起到勤儉節(jié)約的教育作用[16]。

分別用2.0 g與4.0 g 鐵屑，由表1可知，在鐵屑用量減半，同樣可制得產(chǎn)率較高的硫酸亞鐵銨晶體，不會造成實驗試劑浪費。

表1 不同用量的實驗結(jié)果

3 實驗改進后的操作

3.1 鐵屑的凈化

由于實驗所用鐵屑來自機加工產(chǎn)生的切屑廢料，表面有較多機油等物質(zhì)。用臺秤稱取2.0 g鐵屑于150 mL錐形瓶中，加入1 mol/L Na2CO3溶液20 mL，水浴加熱10 min，并不斷振蕩，促進堿液對油污的溶解。傾倒Na2CO3溶液于250 mL燒杯中，作尾氣吸收液備用，用蒸餾水將鐵屑沖洗3～5次至中性。

3.2 硫酸亞鐵的制備

向盛有洗凈鐵屑的錐形瓶中加入3 mol/L H2SO4溶液15 mL，用帶有導氣管的橡膠塞塞住錐形瓶口，將生成的有害氣體導入盛有除油污后的碳酸鈉溶液中，注射器事先吸入2 mL蒸餾水，插入橡膠塞中。在75 ℃下，水浴加熱至反應不再有氣泡產(chǎn)生為止。反應過程中，推動注射器補充損失的少量水分。趁熱用普通漏斗過濾，保留濾液，用少量熱水洗滌錐形瓶及漏斗上的殘渣。

3.3 硫酸亞鐵銨的制備

按n[(NH4)2SO4]∶n(Fe)=1∶1的比例稱取所需(NH4)2SO4固體加入上述濾液中，水浴加熱使其溶解。然后將溶液轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，蒸發(fā)濃縮至表面出現(xiàn)晶膜，冷卻至室溫即有晶體，減壓過濾得到淺藍綠色的晶體。

3.4 產(chǎn)品純度檢驗

利用KSCN與Fe3+反應顯紅色的原理，采用比色法判定產(chǎn)品中的Fe3+的含量。稱取制備的產(chǎn)品置于25 mL比色管，加入已除氧的去離子水溶解。實驗室會提前準備三支盛有Fe3+標準溶液的不同等級比色管，可以通過比色確定產(chǎn)品等級。

4 實驗改進的優(yōu)點

(1) 改進了實驗裝置，學生可動手安裝實驗裝置，能讓學生明確各儀器的用途，積極引導學生思考如何防止倒吸、廢氣處理等問題，更有利于訓練學生操作技能，培養(yǎng)學生實際分析、解決問題的能力，增強自主創(chuàng)新意識。

(2) 增加了尾氣吸收裝置，解決了常規(guī)實驗中存在的尾氣問題，減少有害氣體對環(huán)境造成的污染，保護了師生的健康。實驗產(chǎn)生的有害氣體被除油污的碳酸鈉溶液吸收，碳酸鈉溶液的使用，不必重新配制氫氧化鈉溶液，避免試劑浪費。廢氣經(jīng)堿液吸收，實驗室不再充滿刺激性氣味，環(huán)境條件大為改善，同時提高了學生的綠色環(huán)保意識。

(3) 實驗在相對封閉的體系中進行，有效抑制了硫酸亞鐵與空氣中的氧氣發(fā)生反應，提高產(chǎn)品質(zhì)量。利用注射器補充損失的水分，能夠改善實驗效果，避免硫酸亞鐵結(jié)晶的析出。注射器作為一種結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可代替滴管、滴液漏斗等裝置，可培養(yǎng)學生利用簡易儀器開展課外化學實驗的能力。

(4) 在不影響實驗效果的情況下，減少了實驗試劑用量，也可達到預期的實驗現(xiàn)象和目的，有害氣體排放減少，節(jié)約了化學實驗成本，縮短了反應時間，有效提高了實驗環(huán)境的安全性。所需試劑用量減半，收到了良好的教學效果，幫助學生養(yǎng)成綠色化學理念。

5 結(jié) 語

采用“減量、減廢”的思路，成功對硫酸亞鐵銨制備實驗進行了改進，有助于開創(chuàng)綠色實驗模式。改進后的實驗在相對密閉體系中完成，既減少了對環(huán)境的污染和對人體的危害，又可降低實驗消耗，達到了節(jié)約的目的，同時也把環(huán)保意識滲透到實驗教學中來。通過教學，不僅獲得了更佳的實驗效果，而且在實驗技能訓練的基礎(chǔ)上，初步培養(yǎng)了大一學生的創(chuàng)造性思維和科研意識。